DE102011111604B4

DE102011111604B4 - Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102011111604B4
Application number: DE102011111604.8A
Authority: DE
Inventors: Fabian Kopp; Alfred Lell; Christoph Eichler; Clemens Vierheilig; Sönke Tautz
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: DE102011111604A1; US20140217425A1; WO2013026655A1; US9151893B2

Abstract

Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) mit einem Halbleiterkörper (2), der eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweist, wobei- das Halbleiterbauelement einen Wellenleiter (5) aufweist, der für eine laterale Führung der im aktiven Bereich (20) erzeugten Strahlung vorgesehen ist und der sich zwischen einer Spiegelfläche (3) und einer Auskoppelfläche (4) erstreckt;- der Wellenleiter (5) senkrecht auf die Spiegelfläche (3) trifft;- der Wellenleiter (5) schräg zu einer Normalen (41) der Auskoppelfläche (4) auf die Auskoppelfläche (4) trifft,- zumindest auf einer Seite des Wellenleiters (5) eine Strukturierung (85) mit zumindest einer Vertiefung ausgebildet ist, wobei sich die Vertiefung durch den aktiven Bereich (20) hindurch erstreckt,- in einem Strahlengang zwischen der Spiegelfläche (3) und der Auskoppelfläche (4) eine Umlenkfläche (6, 61) ausgebildet ist, und- die Umlenkfläche (6, 61) derart ausgebildet ist, dass sie in einem Zentralbereich (611) des Wellenleiters (5) eine höhere Reflektivität aufweist als in einem Randbereich (612).

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper.
Aus den Dokumenten JP 2003- 142 777 A , US 2002 / 0 024 052 A1 , JP 2011- 155 103 A , DE 10 2008 012 859 A1 , DE 10 2008 013 896 A1 , US 2005 / 0 230 722 A1 und WO 2004/ 005 985 A1 sind strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente mit einem Halbleiterkörper bekannt.
Laserquellen, beispielsweise Halbleiterlaser in Stegwellenleitergeometrie (Ridge Waveguide Laser), können ein sehr schmalbandiges Emissionsspektrum aufweisen. Dies kann beispielsweise bei Projektionsanwendungen aufgrund der so genannten Speckle zu einer verringerten Abbildungsqualität führen. Dieses Problem erschwert insbesondere die Realisierung von großflächigen, lichtstarken Projektionsgeräten mit Laserdioden als Strahlungsquelle.
Eine Aufgabe ist es, ein Halbleiterbauelement anzugeben, mit dem die Abbildungsqualität verbessert und gleichzeitig hohe optische Ausgangsleistungen erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper auf, der eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich aufweist. Das Halbleiterbauelement weist einen Wellenleiter auf, der für eine laterale Führung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung vorgesehen ist und der sich zwischen einer Spiegelfläche und einer Auskoppelfläche erstreckt. Der Wellenleiter trifft senkrecht auf die Spiegelfläche. Auf die Auskoppelfläche trifft der Wellenleiter schräg zu einer Normalen der Auskoppelfläche.
Unter einer lateralen Richtung wird in diesem Zusammenhang eine Richtung verstanden, die senkrecht zu einer Normalen der Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge verläuft. Der Wellenleiter definiert also einen Strahlungsverlauf in der Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge.
An der Auskoppelfläche verläuft eine Haupterstreckungsachse des Wellenleiters, oder eine Tangente zur Haupterstreckungsachse im Fall eines gekrümmten Wellenleiters, also nicht parallel, sondern schräg zu der Normalen der Auskoppelfläche.
Im Unterschied zu einem Halbleiterlaser steht die Auskoppelfläche also nicht senkrecht zu dem Wellenleiter, so dass die Auskoppelfläche keine Resonatorfläche bildet. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass an der Auskoppelfläche so viel Strahlung in den Wellenleiter zurückgekoppelt wird, dass im aktiven Bereich stimulierte Emission zur Abstrahlung von überwiegend kohärenter Strahlung führt.
Das Halbleiterbauelement ist also zur Erzeugung von inkohärenter oder zumindest nur teilkohärenter Strahlung vorgesehen. Die spektrale Breite der vom Halbleiterbauelement abgestrahlten Strahlung kann dadurch gegenüber Laserstrahlung erhöht werden.
Bevorzugt weist die vom Halbleiterbauelement abgestrahlte Strahlung eine volle spektrale Halbwertsbreite (Full Width at Half Maximum, FWHM) von mindestens 2 nm auf. Bevorzugt beträgt die volle spektrale Halbwertsbreite zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 20 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 10 nm, beispielsweise 5 nm. Es hat sich gezeigt, dass eine störende Ausbildung eines Speckle-Musters so vermieden werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Spiegelfläche mit einer hochreflektiven Beschichtung, also einer Beschichtung die mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung reflektiert, versehen. Je höher die Reflektivität der Spiegelfläche ist, desto geringer ist der Strahlungsanteil, der auf der der Auskoppelfläche gegenüberliegenden Seite des Halbleiterbauelements aus dem Halbleiterkörper austritt.
Weiterhin bevorzugt ist die Auskoppelfläche mit einer Entspiegelungsschicht versehen. Die Auskoppelfläche weist vorzugsweise eine Reflektivität von höchstens 1 %, bevorzugt von höchstens 0,5 %, beispielsweise 0,1 % auf.
Je niedriger die Reflektivität der Auskoppelfläche ist, desto geringer ist die Gefahr, dass Strahlung von der Auskoppelfläche in den Wellenleiter zurück reflektiert wird und ein ungewünschtes Anschwingen von kohärenten Laser-Moden erfolgt.
Ein Winkel zwischen dem Wellenleiter und der Normalen der Austrittsfläche beträgt vorzugsweise mindestens 0,5°, besonders bevorzugt mindestens 3°. Insbesondere kann der Winkel zwischen einschließlich 3° und einschließlich 30° betragen.
In einem Strahlengang zwischen der Spiegelfläche und der Auskoppelfläche ist eine Umlenkfläche ausgebildet. Mittels der Umlenkfläche kann der Wellenleiter in Teilbereiche unterteilt sein, deren Haupterstreckungsachsen schräg oder senkrecht zueinander verlaufen.
Die Umlenkfläche ist vorzugsweise derart relativ zur Spiegelfläche angeordnet, dass die an der Umlenkfläche in Richtung der Auskoppelfläche reflektierte Strahlung schräg auf die Auskoppelfläche auftrifft. Die Spiegelfläche und die Auskoppelfläche können bei dieser Ausgestaltungsvariante parallel zueinander verlaufen. Bei der Herstellung können die Spiegelfläche und die Auskoppelfläche beispielsweise mittels Spaltens beim Vereinzeln aus einem Waferverbund hervorgehen.
In einer bevorzugten Weiterbildung trifft die entlang des Wellenleiters verlaufende Strahlung in einem Winkel auf die Umlenkfläche, der größer ist als ein Grenzwinkel für Totalreflexion. Mit anderen Worten schließt die Haupterstreckungsachse des Wellenleiters mit einer Normalen der Umlenkfläche einen Winkel ein, der so groß ist, dass die Strahlung verlustfrei an der Umlenkfläche reflektiert wird.
Die Umlenkfläche ist derart ausgebildet, dass sie in einem Zentralbereich des Wellenleiters eine höhere Reflektivität aufweist als in einem Randbereich des Wellenleiters. So kann erzielt werden, dass räumliche Moden höherer Ordnung, die verglichen zur Grundmode zu einem höheren Anteil im Randbereich des Wellenleiters verlaufen, zu einem geringeren Anteil reflektiert werden. Die Umlenkfläche wirkt also als ein räumlicher Modenfilter. Eine monomodige Abstrahlung wird so vereinfacht.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Umlenkfläche zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet. Vorzugsweise ist die Umlenkfläche derart gekrümmt, dass die laterale Ausdehnung der im Wellenleiter geführten Strahlung im Bereich der Auskoppelfläche eine größere laterale Ausdehnung aufweist als die Strahlung vor dem Auftreffen auf die Umlenkfläche. Die Strahlung wird also zu der Auskoppelfläche hin aufgeweitet, so dass die Belastung der Facette reduziert wird und sich die Gefahr eines zum Ausfall des Bauelements führenden Spiegelschadens (Catastrophic Optical Mirror Damage, COMD) verringert.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante weist der Wellenleiter zumindest einen Teilbereich auf, in dem der Wellenleiter gekrümmt verläuft. Mittels der Krümmung kann erzielt werden, dass der Wellenleiter senkrecht auf die Spiegelfläche und in einem spitzen Winkel zur Normalen der Auskoppelfläche verläuft, ohne dass hierfür eine Umlenkfläche erforderlich ist. Ein Wellenleiter mit einem gekrümmten Teilbereich kann aber zusätzlich mit einer oder mehreren Umlenkflächen im Strahlengang ausgebildet werden.
Die Auskoppelfläche kann mittels einer den Halbleiterkörper in lateraler Richtung begrenzenden Seitenfläche, insbesondere einer auskoppelseitigen Seitenfläche, gebildet sein. Die Spiegelfläche und die auskoppelseitige Seitenfläche sind vorzugsweise zwei voneinander verschiedene, den Halbleiterkörper jeweils in lateraler Richtung begrenzende Seitenflächen. Bei der Herstellung können die Spiegelfläche und die Auskoppelfläche beim Vereinzeln der Halbleiterbauelemente aus einem Waferverbund hervorgehen. Vorzugsweise verlaufen die Spiegelfläche und die Auskoppelfläche parallel zueinander.
Alternativ kann die Auskoppelfläche schräg zu der Spiegelfläche verlaufen. Weiterhin kann die Auskoppelfläche von der auskoppelseitigen Seitenfläche des Halbleiterbauelements verschieden sein. Bei der Herstellung des Halbleiterbauelements wird die Auskoppelfläche in diesem Fall mittels eines chemischen Strukturierungsschritts, insbesondere eines trockenchemischen Ätzverfahrens, hergestellt.
Auf zumindest einer Seite des Wellenleiters ist eine Strukturierung mit zumindest einer Vertiefung ausgebildet. Die Strukturierung ist insbesondere dafür vorgesehen, Streustrahlung gezielt zu absorbieren oder zumindest an einem Strahlungsaustritt seitens der auskoppelseitigen Seitenfläche des Halbleiterbauelements zu hindern.
Die zumindest eine Vertiefung erstreckt sich in vertikaler Richtung zumindest durch den aktiven Bereich hindurch. Die Vertiefung kann sich auch durch die gesamte Halbleiterschichtenfolge hindurch erstrecken.
Die Strukturierung kann weiterhin in Form von zumindest einer Vertiefung auf beiden Seiten des Wellenleiters ausgebildet sein. Ein Abstand zwischen dem Wellenleiter und der Vertiefung beziehungsweise den Vertiefungen, also eine kleinste Distanz zwischen dem Wellenleiter und der dem Wellenleiter nächst gelegenen Vertiefung der Strukturierung, beträgt vorzugsweise höchstens 30 µm, besonders bevorzugt höchstens 20 µm, am meisten bevorzugt höchstens 10 µm. Beispielsweise kann der Abstand zwischen 0,1 µm und 3 µm betragen.
In einer entlang der Auskoppelfläche verlaufenden Richtung beträgt die Ausdehnung der Vertiefung beziehungsweise der Vertiefungen vorzugsweise zwischen 0,1 µm und 500 µm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1 µm und einschließlich 100 µm, am meisten bevorzugt zwischen einschließlich 3 µm und einschließlich 50 µm. In einer senkrecht zur Auskoppelfläche verlaufenden Richtung beträgt die Ausdehnung der Vertiefung beziehungsweise der Vertiefungen vorzugsweise zwischen einschließlich 0,1 µm und einschließlich 50 µm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1 µm und einschließlich 20 µm, am meisten bevorzugt zwischen einschließlich 1 µm und einschließlich 10 µm.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die zumindest eine Vertiefung zumindest teilweise mit einem Material befüllt, das die im aktiven Bereich erzeugte Strahlung absorbiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in das Halbleiterbauelement ein Strahlungsempfänger mit einem zur Signalerzeugung vorgesehenen aktiven Bereich, insbesondere monolithisch, integriert. Bei der Herstellung des Halbleiterbauelements können der aktive Bereich des Strahlungsempfängers und der zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Bereich des Halbleiterbauelements aus denselben Halbleiterschichten hervorgehen. Die aktiven Bereiche können somit dieselbe Materialzusammensetzung aufweisen.
Im Betrieb des Halbleiterbauelements kann mittels des Strahlungsempfängers die emittierte Strahlungsleistung überwacht und gegebenenfalls geregelt werden.
In einer Ausgestaltungsvariante ist der Strahlungsempfänger so angeordnet, dass ein Teil der sich entlang des Wellenleiters ausbreitenden Strahlung direkt auf den Strahlungsempfänger auftrifft.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante ist der Strahlungsempfänger so angeordnet, dass überwiegend Streustrahlung auf den Strahlungsempfänger auftrifft.
Bei einem Wellenleiter mit einem gekrümmten Teilbereich kann der Strahlungsempfänger beispielsweise so angeordnet sein, dass der Wellenleiter im Bereich des Strahlungsempfängers vom Strahlungsempfänger weg gekrümmt verläuft. Das heißt, bei einem in Abstrahlrichtung gesehen links gekrümmten Wellenleiter ist der Strahlungsempfänger vorzugsweise rechts vom Wellenleiter angeordnet und umgekehrt.
Bei einem Halbleiterbauelement mit einer Umlenkfläche kann der Strahlungsempfänger im Bereich der Umlenkfläche angeordnet sein. Beispielsweise kann die Umlenkfläche für die im aktiven Bereich erzeugte Strahlung teildurchlässig sein, so dass ein Teil der Strahlung durch die Umlenkfläche hindurchtritt und auf den Strahlungsempfänger auftrifft.
Allgemein eignet sich für die Position des Strahlungsempfängers insbesondere eine Stelle des Halbleiterbauelements, an der vergleichsweise viel Streustrahlung auftritt. Beispielsweise kann der Strahlungsempfänger auch im Bereich der Auskoppelfläche angeordnet sein.
In lateraler Richtung kann der Wellenleiter als ein Stegwellenleiter ausgebildet sein. Zur Erhöhung der emittierten Strahlungsleistung kann auch ein Breitstreifen-Wellenleiter Anwendung finden. Alternativ oder ergänzend können zur Steigerung der insgesamt abgestrahlten Strahlungsleistung mehrere Wellenleiter, insbesondere Wellenleiter in Stegwellenleiter- oder Breitstreifen-Wellenleitergeometrie, lateral nebeneinander, insbesondere mit zumindest bereichsweise zueinander parallel verlaufenden Haupterstreckungsachsen, angeordnet sein.
Das beschriebene Halbleiterbauelement zeichnet sich durch hohe erreichbare Ausgangsleistungen mit einer gerichteten räumlichen Abstrahlung und einer gegenüber einem Halbleiterlaser erhöhten spektralen Breite aus. Das Halbleiterbauelement eignet sich daher insbesondere für die Verwendung als Strahlungsquelle in einem Projektor. Die Gefahr einer Beeinträchtigung der Abbildungsqualität aufgrund von Speckle-Mustern kann so vermindert werden.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

Die 1A bis 1C drei Ausführungsbeispiele für ein Halbleiterbauelement in schematischer Aufsicht;
die 1D eine schematische Schnittansicht des in 1A gezeigten Ausführungsbeispiels entlang einer Linie BB';
die 1E ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement in schematischer Schnittansicht;
die 2A und 2B zwei weitere Ausführungsbeispiele für ein Halbleiterbauelement anhand einer jeweils vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts des in 1A dargestellten Ausführungsbeispiels;
die 3A bis 3E, 4A bis 4D, 5A bis 5C, 6A bis 6D, 7A bis 7C und 8A bis 8C jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement in schematischer Aufsicht; und
9 ein Ausführungsbeispiel für einen Schichtaufbau eines Halbleiterbauelements in schematischer Darstellung. Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In den 1A bis 1C ist jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement 1 in schematischer Aufsicht dargestellt. Das Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper 2 auf, in dem ein Wellenleiter 5 ausgebildet ist. Der Wellenleiter 5 ist zur Führung einer in einem aktiven Bereich des Halbleiterkörpers 2 erzeugten Strahlung in lateraler Richtung, also in einer entlang einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers verlaufenden Richtung, vorgesehen.
Ein Ausführungsbeispiel für eine geeignete Schichtfolge für den Halbleiterkörper 2 wird im Zusammenhang mit 9 näher beschrieben.
In lateraler Richtung erstreckt sich der Halbleiterkörper 2 mit dem Wellenleiter 5 zwischen einer Spiegelfläche 3 und einer Auskoppelfläche 4. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Spiegelfläche und die Auskoppelfläche an gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers 2 ausgebildet und verlaufen weiterhin parallel zueinander.
Die Spiegelfläche 3 ist mit einer hochreflektierenden Beschichtung 30 versehen. Die Reflektivität der Beschichtung beträgt vorzugsweise mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % für die im aktiven Bereich im Betrieb erzeugte Strahlung.
Die hochreflektierende Beschichtung 30 kann als ein Bragg-Spiegel ausgeführt sein. Alternativ oder ergänzend kann eine metallische Spiegelschicht vorgesehen sein. Bei einer metallischen Spiegelschicht ist vorzugsweise zwischen dem Halbleiterkörper und der metallischen Spiegelschicht, insbesondere unmittelbar an den Halbleiterkörper angrenzend, eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet, um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden.
Der Wellenleiter 5, insbesondere eine Haupterstreckungsachse 50 des Wellenleiters, schließt mit einer Normalen 41 der Auskoppelfläche 40 einen Winkel 42 ein. Das heißt, der Wellenleiter 5 trifft nicht senkrecht auf die Auskoppelfläche 4. Ein Winkel zwischen dem Wellenleiter und der Auskoppelfläche beträgt vorzugsweise mindestens 0,5°, besonders bevorzugt mindestens 3°. Insbesondere kann der Winkel zwischen einschließlich 0,5° und einschließlich 30°, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 3° und einschließlich 20°, betragen.
Die Auskoppelfläche 4 ist mit einer Entspiegelungsbeschichtung 40 versehen. Die Entspiegelungsbeschichtung kann einschichtig oder mit einer Mehrzahl von Teilschichten ausgebildet sein. Eine Dicke d der Entspiegelungsbeschichtung oder zumindest einer der Teilschichten ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie für eine im aktiven Bereich mit der Wellenlänge λ erzeugte Strahlung bei einem Winkel α zwischen der Haupterstreckungsachse des Wellenleiters und der Normalen der Auskoppelfläche als λ/4-Schicht ausgebildet ist. Das heißt, es gilt die Beziehung $d = (λ/4 n) * cos (α) .$
Hier ist n der effektive Brechungsindex für im Wellenleiter 5 verlaufende Strahlung.
In dem Halbleiterkörper 2 ist eine Umlenkfläche 6 und eine weitere Umlenkfläche 61 ausgebildet. Die Umlenkflächen sind jeweils in einem Strahlengang entlang des Wellenleiters 5 zwischen der Spiegelfläche 3 und der Auskoppelfläche 4 angeordnet. Mittels der Umlenkflächen ist der Wellenleiter in einen ersten Teilbereich 51 zwischen der Auskoppelfläche 4 und der Umlenkfläche 6, einen zweiten Teilbereich 52 zwischen der Umlenkfläche 6 und der weiteren Umlenkfläche 61 und einen dritten Teilbereich 53 zwischen der weiteren Umlenkfläche 61 und der Spiegelfläche 3 unterteilt. In dem dritten Teilbereich 53 trifft der Wellenleiter 5 senkrecht auf die Spiegelfläche 3. Im aktiven Bereich emittierte und in Richtung der Spiegelfläche abgestrahlte Strahlung kann so effizient in den Wellenleiter 5 zurückreflektiert werden.
Die weitere Umlenkfläche 61 ist in einem Winkel von 45° zu der Spiegelfläche 3 angeordnet, so dass der zweite Teilbereich 52 in einem Winkel von 90° zum dritten Teilbereich 53 verläuft.
Die Umlenkfläche 6 ist in einem von 45° verschiedenen Winkel, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Winkel von kleiner als 45° zur Spiegelfläche 3 angeordnet, so dass die entlang des ersten Teilbereichs 51 verlaufende Strahlung in einem von 0° verschiedenen Winkel zur Normalen der Auskoppelfläche auf diese auftritt. Die aus dem Halbleiterbauelement austretende Strahlung ist durch einen Pfeil 91 veranschaulicht.
Die Umlenkflächen 6, 61 können beispielsweise mittels trockenchemischen Ätzens ausgebildet werden. Der Winkel der Umlenkflächen bezogen auf die Spiegelfläche 3 oder die Auskoppelfläche 4 kann so in weiten Grenzen variiert werden.
Mittels der beschriebenen Ausgestaltung des Wellenleiters 5 relativ zu der Spiegelfläche 3 und der Auskoppelfläche 4 kann erzielt werden, dass im Wellenleiter verlaufende Strahlung eine stimulierte Emission hervorruft. Dies bewirkt im Vergleich zu einer konventionellen Leuchtdiode ohne lateralen Wellenleiter räumlich eine überwiegend gerichtete und spektral eine vergleichsweise schmalbandige Abstrahlung. Im Unterschied zu einem Laser ist die Auskoppelfläche mittels der schrägen Anordnung zur Normalen des Wellenleiters derart ausgebildet, dass keine optische Rückkopplung der Strahlung in den Wellenleiter 5 erfolgt. Mit anderen Worten weist das Halbleiterbauelement 1 keinen Resonator auf. Die Erzeugung von überwiegend kohärenter Strahlung im Wellenleiter wird im Unterschied zu einem Laser somit vermieden.
Im Unterschied zu einem Laser führt die beschriebene Ausgestaltung des Wellenleiters zu einer inkohärenten Abstrahlung mit einer größeren spektralen Breite. Vorzugsweise beträgt die volle spektrale Halbwertsbreite mindestens 2 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 4 nm und einschließlich 20 nm.
Das beschriebene Halbleiterbauelement zeichnet sich somit durch eine stark gerichtete Abstrahlung bei einer gleichzeitig vergleichsweise breiten spektralen Abstrahlung aus. Das Halbleiterbauelement eignet sich daher besonders für die Verwendung als Strahlungsquelle in einem Projektor. Die Gefahr einer verminderten Bildqualität aufgrund von Speckle kann so vermieden werden.
Zwei Ausführungsbeispiele für die elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauelements sind in den 1D und 1E schematisch gezeigt. Hier stellt die 1D eine Schnittansicht entlang der in 1A gezeigten Linie BB' dar. Im Betrieb des Halbleiterbauelements werden durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einem Kontakt 24 und einem weiteren Kontakt 25 Ladungsträger von unterschiedlichen Seiten in den aktiven Bereich 20 des Halbleiterkörpers 2 injiziert und rekombinieren dort unter Emission von Strahlung.
Bei dem in 1D dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Kontakt 24 und der weitere Kontakt 25 auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers 2 angeordnet. Der Kontakt 24 ist über eine Kontaktbeschichtung 240 mit einer Oberseite des Wellenleiters 5 elektrisch leitend verbunden. Der Kontakt 24 muss nicht notwendigerweise als separate, auf der Kontaktbeschichtung 240 ausgebildete Schicht ausgeführt sein, sondern kann auch ein Teilbereich der Kontaktbeschichtung 240 sein.
Zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses ist zwischen dem Halbleiterkörper 2 und der Kontaktbeschichtung 240 eine Isolationsschicht 26 angeordnet.
Der Kontakt 24, die Kontaktbeschichtung 240 und/oder der weitere Kontakt 25 enthalten vorzugsweise ein Metall oder eine metallische Legierung. Weiterhin können die genannten Elemente auch mehrschichtig ausgebildet sein.
Der Halbleiterkörper 2 ist auf einem Träger 29 angeordnet. Der Träger kann durch ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2 gebildet sein. Alternativ kann der Träger auch von dem Aufwachssubstrat verschieden sein. Die elektrische Kontaktierung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch den Träger hindurch. Der Träger ist zweckmäßigerweise elektrisch leitend. Alternativ kann der Halbleiterkörper auch frei von einem Träger ausgebildet sein. Der weitere Kontakt 25 kann in diesem Fall unmittelbar an den Halbleiterkörper 2 angrenzen.
Im Unterschied hierzu sind die Kontakte 24, 25 bei dem in 1E dargestellten Ausführungsbeispiel auf derselben Seite des Halbleiterkörpers 2 angeordnet. Der Kontakt 24 kontaktiert den Halbleiterkörper auf der Oberseite des Wellenleiters 5. Der weitere Kontakt 25 grenzt seitlich des Wellenleiters an den Halbleiterkörper 2 an. In diesem Fall kann die elektrische Kontaktierung also unabhängig von dem Träger 29 erfolgen, so dass dieser auch eine vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen oder elektrisch isolierend ausgebildet sein kann.
Diese Ausführungsbeispiele für die elektrische Kontaktierung sind auch für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele des Halbleiterbauelements 1 geeignet. Zur vereinfachten Darstellung sind der Kontakt 24 und der weitere Kontakt 25 in den nachfolgenden Figuren nicht explizit gezeigt.
Selbstverständlich können von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend auch nur eine Umlenkfläche oder mehr als zwei Umlenkflächen vorgesehen sein. Beispielsweise können die Spiegelfläche 3 und die Auskoppelfläche 4 als zwei aneinander angrenzende Seitenflächen des Halbleiterbauelements 1 ausgebildet sein, wobei im Strahlengang zwischen diesen Flächen nur eine Umlenkfläche angeordnet ist.
Bei dem in 1A dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wellenleiter 5 als ein Stegwellenleiter (Ridge Waveguide) ausgebildet. Die Breite des Wellenleiters in lateraler Richtung ist vorzugsweise kleiner als die so genannte „cutoff“-Breite, so dass der Wellenleiter in lateraler Richtung im Wesentlichen monomodige Strahlungspropagation bewirkt.
Im Unterschied hierzu ist der Wellenleiter 5 bei dem in 1B dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Breitstreifen-Wellenleiter ausgebildet. Die Ausgangsleistung des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements kann so erhöht werden.
Für eine noch weitergehende Erhöhung der Strahlungsleistung können in lateraler Richtung auch mehrere Wellenleiter angeordnet sein. In 1C ist exemplarisch ein Ausführungsbeispiel mit einem Wellenleiter 5 und einem weiteren Wellenleiter 55 ausgebildet. Analog zu dem Wellenleiter 5 sind im Strahlengang des weiteren Wellenleiters 55 eine Umlenkfläche 6 und eine weitere Umlenkfläche 61 ausgebildet, so dass der Wellenleiter 55 in einen ersten Teilbereich 551, einen zweiten Teilbereich 552 und einen dritten Teilbereich 553 unterteilt ist. Die ersten, zweiten und dritten Teilbereiche der Wellenleiter 5, 55 verlaufen jeweils parallel zueinander.
Eine aus dem weiteren Wellenleiter 55 austretende Strahlung verläuft parallel zur aus dem Wellenleiter 5 austretenden Strahlung (veranschaulicht durch einen Pfeil 911).
Der Abstand zwischen den Wellenleitern 5, 55 ist vorzugsweise mindestens so groß ausgebildet, dass die Verlustwärme noch effizient aus dem Halbleiterbauelement 1 abgeführt werden kann. Weiterhin kann es bei einem vergleichsweise geringen Abstand zwischen den Wellenleitern 5, 55 zu einer Kopplung der in den Wellenleitern geführten Moden kommen.
Selbstverständlich können auch mehr als zwei Wellenleiter in lateraler Richtung nebeneinander angeordnet sein. Die lateral nebeneinander angeordneten Wellenleiter 5, 55 können insbesondere wie in 1A beschrieben als Stegwellenleiter oder wie in 1B beschrieben als Breitstreifen-Wellenleiter ausgebildet sein.
In den 2A und 2B sind zwei Ausführungsbeispiele für eine Ausgestaltung einer Umlenkfläche anhand einer vergrößerten Darstellung eines in 1A dargestellten Ausschnitts A gezeigt. Die Beschreibung erfolgt lediglich exemplarisch für die Ausgestaltung der weiteren Umlenkfläche 61 des in 1A dargestellten Ausführungsbeispiels und kann auch für die Ausgestaltung der Umlenkfläche 6 oder der weiteren Umlenkfläche 61 in den vorstehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen Anwendung finden.
Die weitere Umlenkfläche 61 ist als eine geätzte Fläche des Halbleiterkörpers 2 ausgebildet. Die weitere Umlenkfläche 61 ist derart ausgebildet, dass sie in einem Zentralbereich 611 eine höhere Reflektivität aufweist als in einem Randbereich 612. Räumliche Moden höherer Ordnung erfahren so stärkere Verluste an der Reflexion an der weiteren Umlenkfläche 61 als die Grundmode des Wellenleiters 5. Eine monomodige Abstrahlung des Halbleiterbauelements 1 kann so gefördert werden. Die Umlenkfläche wirkt also als ein räumlicher Modenfilter, so dass eine monomodige oder zumindest weitgehend monomodige Abstrahlung auch mit einem vergleichsweise breiten Wellenleiter erzielt werden kann.
In dem in 2A dargestellten Ausführungsbeispiel wird die höhere Reflexion im Zentralbereich dadurch erzielt, dass lediglich der Zentralbereich 611 der weiteren Umlenkfläche 61 mit einer Spiegelschicht 7 versehen ist. Die Spiegelschicht 7 kann als eine Metallschicht oder als eine dielektrische Mehrschichtstruktur ausgebildet sein. Auch eine Kombination einer dielektrischen Mehrschichtstruktur mit einer Metallschicht kann Anwendung finden.
Im Unterschied hierzu sind bei dem in 2B dargestellten Ausführungsbeispiel die Randbereiche 612 mit einem absorbierenden Bereich 71 versehen. Der absorbierende Bereich ist dafür vorgesehen, die im aktiven Bereich erzeugte und im Randbereich des Wellenleiters 5 verlaufende Strahlung gezielt zu absorbieren. Bei dieser Ausgestaltung kann die Spiegelschicht 7 entweder nur im Zentralbereich 611 ausgebildet sein oder, wie in 2B dargestellt, so angeordnet sein, dass im Randbereich 612 zwischen der Spiegelschicht und der weiteren Umlenkfläche 61 der absorbierende Bereich 71 angeordnet ist.
Die beschriebene Ausgestaltung bewirkt also einen räumlichen Modenfilter. So kann auch bei einem Wellenleiter, dessen Breite größer ist als die cut-off-Breite für einen Stegwellenleiter eine monomodige Abstrahlung erzielt werden.
Von den beschriebenen Ausführungsbeispielen abweichend können unterschiedlich starke Reflektivitäten für den Zentralbereich 611 und den Randbereich 612 auch durch unterschiedlich tief in den Halbleiterkörper hineinreichende Ätzprozesse ausgebildet werden.
Weiterhin kann von den anhand der 2A und 2B beschriebenen Ausführungsbeispielen abweichend auf eine Spiegelschicht auch verzichtet werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Strahlung unter einem Winkel auf die Umlenkfläche auftrifft, der größer ist als der Winkel für Totalreflexion. Beispielsweise beträgt bei einem Halbleiterkörper auf der Basis von Galliumnitrid an einer Grenzfläche zu Luft der kritische Winkel 23,6°.
Ein weiteres, in 3A dargestelltes Ausführungsbeispiel, entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist das Halbleiterbauelement 1 zusätzlich einen Strahlungsempfänger 8 auf. Der Strahlungsempfänger 8 ist in das Halbleiterbauelement 1 integriert und ist dafür vorgesehen, die vom Halbleiterbauelement 1 abgestrahlte Strahlungsleistung zu überwachen. Auf einen Strahlungsempfänger, der separat zum Halbleiterbauelement ausgeführt ist und relativ zu diesem justiert werden muss, kann also verzichtet werden. Vorzugsweise gehen ein zur Signalerzeugung vorgesehener aktiver Bereich des Strahlungsempfängers und der zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Bereich des Halbleiterbauelements aus derselben Halbleiterschichtenfolge hervor.
Bei dem in 3A dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Strahlungsempfänger 8 im Bereich der Umlenkfläche 6 angeordnet. Im zweiten Teilbereich 52 des Wellenleiters verlaufende Strahlung, die nicht auf die Umlenkfläche 6 auftrifft, kann von dem Strahlungsempfänger detektiert werden und so Aufschluss über die emittierte Strahlungsleistung geben. Ein derartiger Strahlungsempfänger 8 kann selbstverständlich auch bei den anderen beschriebenen Ausführungsbeispielen Anwendung finden. Beispielsweise ist in 3B ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement beschrieben, das im Wesentlichen wie in 1B beschrieben ausgeführt ist und einen Strahlungsempfänger 8 aufweist. Im Unterschied zu dem in 3A beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Strahlungsempfänger im Bereich der Auskoppelfläche 4 angeordnet und kann insbesondere an der Auskoppelfläche reflektierte Strahlung detektieren.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement ist in 3C dargestellt. Dieses weitere Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit der 3A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die Umlenkfläche 6 als eine gekrümmte Umlenkfläche ausgebildet. Mittels der gekrümmten Umlenkfläche kann die im Wellenleiter 5 in Richtung der Austrittsfläche 4 propagierende Strahlung im ersten Teilbereich 51 des Wellenleiters aufgeweitet werden. Die Strahlung tritt somit auf einer größeren Querschnittsfläche auf die Auskoppelfläche 4, so dass die Gefahr einer Schädigung der Auskoppelfläche verringert ist.
Weiterhin kann die gekrümmte Umlenkfläche 6 so ausgebildet sein, dass im Vergleich zu einer ebenen Umlenkfläche ein größerer Strahlungsanteil auf dem Strahlungsempfänger 8 auftrifft.
Das in 3D dargestellte weitere Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement entspricht im Wesentlichen dem in 3B dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der Strahlungsempfänger 8 in einem Randbereich des Wellenleiters 5 angeordnet, so dass ein Teil der entlang des Wellenleiters verlaufenden Strahlung direkt auf den Strahlungsempfänger trifft.
Das in 3E dargestellte weitere Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit der 3A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die Umlenkfläche 6 gezielt teildurchlässig ausgebildet. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass eine Normale der Umlenkfläche 6 mit dem auf die Umlenkfläche auftreffenden Teilbereich des Wellenleiters einen Winkel einschließt, der kleiner ist als der Winkel für Totalreflexion, so dass ein Teil der auf die Umlenkfläche 6 auftreffenden Strahlung transmittiert wird. Dieser transmittierte Anteil der Strahlung ist in 3E durch einen Pfeil 92 veranschaulicht.
In 4A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement 1 in schematischer Aufsicht dargestellt. Im Unterschied zu dem in 1A dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wellenleiter 5 bereichsweise derart gekrümmt ausgebildet, dass der Wellenleiter 5 senkrecht auf die Spiegelfläche 3 und schräg zu einer Normalen der Auskoppelfläche 4 auf die Auskoppelfläche 4 auftrifft. Umlenkflächen im Strahlengang des Wellenleiters sind also nicht erforderlich, können aber, beispielsweise zur Vergrößerung des optischen Wegs innerhalb des Halbleiterbauelements, zusätzlich vorgesehen sein.
Bei einem Wellenleiter 5 mit einem gekrümmten Teilbereich treten im Vergleich zu einem geradlinigen Wellenleiter höhere Verluste auf. Hiervon sind räumliche Moden höherer Ordnung stärker betroffen als die Grundmode, so dass eine monomodige Abstrahlung, insbesondere bei vergleichsweise breiten Wellenleitern, gefördert wird. Die Strahlungsleistung kann so unter Beibehaltung einer monomodigen Abstrahlung vereinfacht erhöht werden.
Weiterhin weist das Halbleiterbauelement 1 einen Strahlungsempfänger 8 auf, der insbesondere wie im Zusammenhang mit 3A beschrieben ausgeführt sein kann.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Strahlungsempfänger 8 so angeordnet, dass an der Auskoppelfläche 4 reflektierte Strahlung, dargestellt durch eine Pfeil 93, auf den Strahlungsempfänger 8 trifft.
Weiterhin weist das Halbleiterbauelement 1 eine Strukturierung 85 auf. Die Strukturierung 85 kann durch eine oder mehrere Vertiefungen in dem Halbleiterkörper ausgebildet sein. Die Strukturierung ist dafür vorgesehen, aus dem Wellenleiter 5 austretende Streustrahlung gezielt zu absorbieren. Strahlung, die nicht dem gekrümmten Verlauf des Wellenleiters 5 folgt, kann so effizient an einen Austritt durch die Auskoppelfläche 4 gehindert werden.
Vorzugsweise ist die Vertiefung der Strukturierung 85 zumindest teilweise mit einem Material befüllt, das die im aktiven Bereich erzeugte Strahlung gezielt absorbiert.
Ein Abstand zwischen dem Wellenleiter 5 und der Strukturierung 85 beträgt vorzugsweise höchstens 20 µm, bevorzugt höchstens 10 µm. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand zwischen einschließlich 0 µm und einschließlich 3 µm. Die Strukturierung kann also unmittelbar an den Wellenleiter angrenzen.
In vertikaler Richtung, also in einer parallel zu einer Normalen zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers verlaufenden Richtung, erstreckt sich die zumindest eine Vertiefung der Strukturierung 85 vorzugsweise zumindest durch den aktiven Bereich hindurch. Insbesondere kann die Strukturierung die gesamte Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2 durchdringen.
In einer parallel zur Auskoppelfläche verlaufenden Richtung beträgt die Ausdehnung der Strukturierung vorzugsweise zwischen einschließlich 0,1 µm und einschließlich 500 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 3 µm und 50 µm.
In einer dazu senkrecht verlaufenden Richtung beträgt die Ausdehnung vorzugsweise zwischen 0,1 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und einschließlich 20 µm, besonders bevorzugt zwischen 1 µm und einschließlich 10 µm.
Weiterhin bevorzugt ist zumindest eine der Vertiefungen der Strukturierung 85 so ausgeführt, dass ihre Haupterstreckungsrichtung zum Wellenleiter einen von 0° verschiedenen Winkel einschließt. Die Unterdrückung von Streulicht kann so verbessert erzielt werden.
Weiterhin bevorzugt weist die Vertiefung der Strukturierung 85 eine raue Seitenfläche auf, so dass eine gerichtete Rückreflexion von Streustrahlung vermieden werden kann.
Die beschriebene Strukturierung 85 kann auch bei einem Halbleiterbauelement Anwendung finden, bei dem der Wellenleiter nicht gekrümmt ist, beispielsweise bei dem in Zusammenhang mit den 1A bis 3E und 7A bis 8C beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Das in 4B dargestellte weitere Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 4A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die Strukturierung 85 auf beiden Seiten des Wellenleiters 5 angeordnet. Wie in 4C dargestellt, kann die Strukturierung auch auf beiden Seiten des Wellenleiters jeweils mehr als eine Vertiefung aufweisen. Vorzugsweise weisen die Vertiefungen der Strukturierung jeweils eine Haupterstreckungsrichtung auf, die schräg oder senkrecht zum Wellenleiter 5 im Bereich der jeweiligen Vertiefung verläuft.
Das in 4D dargestellte weitere Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 4A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der Strahlungsempfänger 8 so angeordnet, dass der Wellenleiter im Bereich des Strahlungsempfängers 8 vom Strahlungsempfänger weg gekrümmt verläuft. So kann erzielt werden, dass ein Teil der Strahlung, die in Richtung der Auskoppelfläche verläuft und nicht dem Wellenleiter 5 folgt (dargestellt durch einen Pfeil 94) auf den Strahlungsempfänger trifft.
Die in den 5A und 5B dargestellten Ausführungsbeispielen entsprechen im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 4B beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Strukturierung 85 ist jeweils durch eine Mehrzahl von Vertiefungen gebildet, wobei die Vertiefungen bei dem in 5A dargestellten Ausführungsbeispiel zum einen entlang der Auskoppelfläche 4 und zum anderen entlang des Wellenleiters 5 verlaufen.
Mittels der entlang der Auskoppelfläche 4 angeordneten Vertiefungen der Strukturierung 85 wird die Strahlungsauskopplung seitens der Auskoppelfläche 4 außerhalb des Wellenleiters 5 reduziert. Auf die entlang des Wellenleiters zusätzlich ausgebildeten Vertiefungen der Strukturierung 85 kann, wie in 5B dargestellt, auch verzichtet werden.
Die Strukturierung 85 dient insbesondere dazu, räumliche Moden höherer Ordnung effizient zu streuen und/oder zu absorbieren, so dass die Strukturierung in Kombination mit einem gekrümmten Wellenleiter als ein räumlicher Modenfilter wirkt. Höhere Ausgangsleistung können so bei Beibehaltung der monomodigen Abstrahlcharakteristik erzielt werden.
Die Strukturierung 85 kann beispielsweise mittels trockenchemischen Ätzens, mittels eines fokussierten Ionenstrahls (Focused Ion-Beam, FIB), mittels eines Laserverfahrens, etwa mittels eines laser cut-Verfahrens, oder mittels eines Stealth Dicing-Verfahrens erzielt werden.
Das an der Strukturierung 85 umgelenkte Streulicht kann mittels des integrierten Strahlungsempfängers 8 für die Überwachung der abgestrahlten Strahlungsleistung verwendet werden.
Das in 50 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 4B dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die Strukturierung eine Vertiefung auf, die als Beispiel für eine zumindest bereichsweise gekrümmte, insbesondere elliptische Umrandung, eine kreisförmige Umrandung aufweist.
Die Form der einzelnen Vertiefungen sowie die Dichte der Vertiefungen der Strukturierung 85 kann in weiten Grenzen variiert werden. Selbstverständlich können die Vertiefungen der Strukturierung 85 auch zumindest teilweise hinsichtlich der Grundform oder des Querschnitts voneinander verschieden sein.
Bei den in den 6A bis 6D dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Wellenleiter 5 wie im Zusammenhang mit den 4A beschrieben bereichsweise gekrümmt ausgebildet. Zusätzlich weist das Halbleiterbauelement 1 einen weiteren Wellenleiter 55 auf, so dass die insgesamt abgestrahlte Strahlungsleistung, dargestellt durch die Pfeile 91, 911, erhöht werden kann.
Wie in 6B dargestellt, kann in das Halbleiterbauelement ein Strahlungsempfänger 8 integriert sein, der insbesondere wie im Zusammenhang mit 3A beschrieben ausgeführt sein kann.
Wie im Zusammenhang mit 1B und 1C beschrieben, kann zur Erhöhung der Strahlungsleistung der Wellenleiter auch als ein gekrümmter Breitstreifen-Wellenleiter (6C) ausgebildet sein. Selbstverständlich können, wie in 6D dargestellt, auch mehrere Breitstreifen-Wellenleiter in einem Halbleiterbauelement zur noch weitergehenden Erhöhung der emittierten Strahlungsleistung ausgebildet sein.
In 7A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement 1 schematisch in Aufsicht dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 1A dargestellten Ausführungsbeispiel ist die den Wellenleiter 5 begrenzende Auskoppelfläche 4 von einer den Halbleiterkörper 2 begrenzenden auskoppelseitigen Seitenfläche 45 verschieden.
Ein Winkel zwischen dem Wellenleiter und der Normalen der Auskoppelfläche 4 wird dadurch erzielt, dass die Auskoppelfläche 4 schräg zur auskoppelseitigen Seitenfläche 45 und schräg zur Spiegelfläche 3 angeordnet ist. Die Auskoppelfläche kann, wie im Zusammenhang mit den Umlenkflächen 6, 61 beschrieben, beispielsweise mittels eines Ätz-Verfahrens ausgebildet werden.
Wie im Zusammenhang mit 1A beschrieben ist die Auskoppelfläche 4 und weiterhin auch die auskoppelseitige Seitenfläche 45 mit einer Entspiegelungsbeschichtung versehen.
Der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Wellenleiter 5 stellt also einen geradlinigen Wellenleiter dar, der frei von Umlenkflächen in seinem Strahlengang ausgebildet ist. Davon abweichend kann der Wellenleiter aber wie im Zusammenhang mit 1A beschrieben zumindest eine Umlenkfläche und/oder wie im Zusammenhang mit 4A beschrieben einen gekrümmten Teilbereich aufweisen.
Wie in den 7B und 7C dargestellt, kann bei dem im Zusammenhang mit 7A ausgeführten Ausführungsbeispiel ein Strahlungsempfänger 8 ausgebildet sein, der insbesondere wie im Zusammenhang mit 3A beschrieben ausgebildet sein kann.
Weiterhin kann, wie in 7B dargestellt, eine Strukturierung 85 vorgesehen sein, die wie im Zusammenhang mit 4B beschrieben ausgeführt sein kann.
Die in den 8A und 8B dargestellten weiteren Ausführungsbeispiele entsprechen den im Zusammenhang mit den 7A und 7B beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei im Unterschied hierzu jeweils zusätzlich zu dem Wellenleiter 5 zur Erhöhung der austretenden Strahlungsleistung ein weiterer Wellenleiter 55 ausgebildet ist, der parallel zum Wellenleiter 5 verläuft. Alternativ oder ergänzend kann, wie in 8C dargestellt, der Wellenleiter 5 zur Erhöhung der Strahlungsleistung auch als ein Breitstreifen-Wellenleiter ausgebildet sein.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Schichtaufbau des Halbleiterkörpers ist in 9 schematisch dargestellt. Dieser Schichtaufbau ist für alle vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele geeignet.
Die Halbleiterschichtenfolge, die den Halbleiterkörper 2 bildet, basiert auf einem nitridischen Verbindungshalbleitermaterial. „Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN umfasst, wobei 0 < n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge ist auf einem Träger 29 angeordnet. Der Träger 29 ist vorzugsweise das Substrat, auf dem die Halbleiterschichtenfolge abgeschieden ist. Insbesondere eignet sich als Aufwachssubstrat ein Substrat, das zumindest eine Galliumnitridschicht enthält. Davon abweichend kann die epitaktische Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2 aber auch auf einem anderen Aufwachssubstrat, beispielsweise Saphir, Silizium oder einem Verbundsubstrat, erfolgen. Weiterhin kann der Träger 29 auch von einem Aufwachssubstrat verschieden sein und nach der epitaktischen Abscheidung an der Halbleiterschichtenfolge befestigt werden.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Träger 29 einen ersten Teilbereich 291 und einen der Halbleiterschichtenfolge zugewandten zweiten Teilbereich 292 auf. Der zweite Teilbereich ist in diesem Ausführungsbeispiel n-leitend dotiert, beispielsweise mit Silizium.
In der schematischen Darstellung der 9 stellt die laterale Ausdehnung der dargestellten Elemente die Bandlücke des Halbleitermaterials dar. Je größer die laterale Ausdehnung in der Figur ist, desto größer ist die Bandlücke des jeweiligen Materials. Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf, der zwischen einem n-leitenden Bereich 21, beispielsweise dotiert mit Silizium, und einem p-leitenden Bereich 22, beispielsweise dotiert mit Magnesium, angeordnet ist. Der n-leitende Bereich 21 weist eine an den aktiven Bereich 20 angrenzende Wellenleiterschicht 211 und eine Mantelschicht 212 auf.
Entsprechend weist der p-leitende Bereich 22 eine Wellenleiterschicht 221 und eine Mantelschicht 222 auf. Zwischen der Wellenleiterschicht 221 und dem aktiven Bereich 20 ist eine Elektronenbarriere 224 ausgebildet. Die Bandlücke der Elektronenbarriere ist größer als die Bandlücke des aktiven Bereichs, so dass über den n-leitenden Bereich in den aktiven Bereich injizierte Elektronen von der Elektronenbarriere 224 geblockt werden. Weiterhin umfasst der p-leitende Bereich eine Kontaktschicht 223, die zur vereinfachten Ausbildung eines ohmschen Kontakts zum Kontakt 24 (in 9 nicht explizit dargestellt) vorgesehen ist.
Die Mantelschichten 212, 222 weisen jeweils einen größeren Al-Gehalt auf als die Wellenleiterschichten 211, 221, so dass die Mantelschichten einen kleineren Brechungsindex aufweisen als die Wellenleiterschichten und somit eine Führung der im aktiven Bereich erzeugten Strahlung in vertikaler Richtung bewirken.
Bei der Ausbildung von Umlenkflächen erfolgt die Ätzung vorzugsweise so tief, dass diese zumindest die dem Träger nächstgelegene Mantelschicht erreicht. Vorzugsweise reicht die Ätzung bis in den Träger 29 hinein.
Für die Ausbildung eines Strahlungsempfängers können der aktive Bereich des Strahlungsempfängers und der zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Bereich aus derselben Schicht hervorgehen.
Selbstverständlich eignen sich die im Zusammenhang mit den 1A bis 8C beschriebenen Ausführungsbeispiele des Halbleiterbauelements auch für Halbleiterkörper, die auf einem anderen Verbindungshalbleitermaterial, beispielsweise einem phosphidischen oder arsenidischen Verbindungshalbleitermaterial, basieren.

Claims

Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) mit einem Halbleiterkörper (2), der eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweist, wobei - das Halbleiterbauelement einen Wellenleiter (5) aufweist, der für eine laterale Führung der im aktiven Bereich (20) erzeugten Strahlung vorgesehen ist und der sich zwischen einer Spiegelfläche (3) und einer Auskoppelfläche (4) erstreckt; - der Wellenleiter (5) senkrecht auf die Spiegelfläche (3) trifft; - der Wellenleiter (5) schräg zu einer Normalen (41) der Auskoppelfläche (4) auf die Auskoppelfläche (4) trifft, - zumindest auf einer Seite des Wellenleiters (5) eine Strukturierung (85) mit zumindest einer Vertiefung ausgebildet ist, wobei sich die Vertiefung durch den aktiven Bereich (20) hindurch erstreckt, - in einem Strahlengang zwischen der Spiegelfläche (3) und der Auskoppelfläche (4) eine Umlenkfläche (6, 61) ausgebildet ist, und - die Umlenkfläche (6, 61) derart ausgebildet ist, dass sie in einem Zentralbereich (611) des Wellenleiters (5) eine höhere Reflektivität aufweist als in einem Randbereich (612).
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1, bei dem die Spiegelfläche (3) mit einer hochreflektierenden Beschichtung (30) und die Auskoppelfläche (4) mit einer Entspiegelungsbeschichtung (40) versehen sind.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die entlang des Wellenleiters (5) verlaufende Strahlung in einem Winkel auf die Umlenkfläche (6, 61) trifft, der größer ist als ein Grenzwinkel für Totalreflexion.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Umlenkfläche (6, 61) zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wellenleiter (5) zumindest einen Teilbereich aufweist, in dem der Wellenleiter (5) gekrümmt verläuft.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auskoppelfläche (4) mittels einer den Halbleiterkörper (2) in lateraler Richtung begrenzenden Seitenfläche (45) gebildet ist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Auskoppelfläche (4) schräg zu der Spiegelfläche (3) verläuft.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strukturierung (85) von dem Wellenleiter (5) einen Abstand von höchstens 30 µm aufweist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vertiefung zumindest teilweise mit einem Material befüllt ist, das die im aktiven Bereich (20) erzeugte Strahlung absorbiert.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in das Halbleiterbauelement (1) ein Strahlungsempfänger (8) mit einem zur Signalerzeugung vorgesehenen aktiven Bereich integriert ist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem in das Halbleiterbauelement (1) ein Strahlungsempfänger (8) mit einem zur Signalerzeugung vorgesehenen aktiven Bereich integriert ist, wobei der Strahlungsempfänger (8) im Bereich der Umlenkfläche (6, 61) angeordnet ist und/oder bei dem der Wellenleiter (5) zumindest einen Teilbereich aufweist, in dem der Wellenleiter (5) gekrümmt verläuft und der Strahlungsempfänger (8) so angeordnet ist, dass der Wellenleiter (5) im Bereich des Strahlungsempfängers (8) vom Strahlungsempfänger (8) weg gekrümmt verläuft.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vom Halbleiterbauelement (1) abgestrahlte Strahlung eine volle spektrale Halbwertsbreite von mindestens 2 nm aufweist.
Verwendung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Strahlungsquelle in einem Projektor.