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WO2005117070A2 - Oberflächenemittierendes halbleiterlaserbauelement mit einer vertikalen emissionsrichtung - Google Patents

Oberflächenemittierendes halbleiterlaserbauelement mit einer vertikalen emissionsrichtung Download PDF

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WO2005117070A2
WO2005117070A2 PCT/DE2005/000791 DE2005000791W WO2005117070A2 WO 2005117070 A2 WO2005117070 A2 WO 2005117070A2 DE 2005000791 W DE2005000791 W DE 2005000791W WO 2005117070 A2 WO2005117070 A2 WO 2005117070A2
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WO
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semiconductor laser
laser component
semiconductor
contact layer
component according
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PCT/DE2005/000791
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English (en)
French (fr)
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WO2005117070A3 (de
Inventor
Wilhelm Stein
Tony Albrecht
Peter Brick
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors Gmbh filed Critical Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority to US11/597,951 priority Critical patent/US7620088B2/en
Priority to EP05753554A priority patent/EP1763913A2/de
Priority to JP2007513668A priority patent/JP2008500711A/ja
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Publication of WO2005117070A3 publication Critical patent/WO2005117070A3/de

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Definitions

  • the invention relates to a surface-emitting semiconductor laser component, in particular an electrically pumped semiconductor laser component, with a vertical emission direction, which is provided for generating laser radiation by means of an optical resonator, and a semiconductor body with a semiconductor layer sequence, which has a lateral main direction of extension and one intended for generating radiation active zone, u summarizes.
  • the pump current is often injected into the semiconductor body via a current spreading layer from the n-conducting side of the semiconductor body.
  • a current spreading layer For example, layers of III-V semiconductor materials, such as n-GaAs, are used for this purpose.
  • Such current spreading layers often also have a low conductivity, often comparable to that of the semiconductor body, in the lateral direction or absorb the radiation generated in the active zone. Because of the low conductivity, such a current spreading layer often has to be made with a high thickness for efficient current injection, but this increases the radiation power absorbed in the current spreading layer. Overall, the risk of a reduction in efficiency of the semiconductor laser component is increased due to the low conductivity in the lateral direction and / or the absorption.
  • the invention is based on the object of specifying an improved surface-emitting semiconductor laser component.
  • a surface-emitting semiconductor laser component according to the invention with a vertical emission direction which is provided for generating laser radiation by means of an external optical resonator, comprises a semiconductor body with a semiconductor layer sequence which has a lateral main direction of extension and an active zone provided for generating radiation, a radiation-transmissive inside the resonator Arranged contact layer and is electrically conductively connected to the semiconductor body.
  • the semiconductor laser component is preferably electrically pumped by means of the radiation-permeable contact layer.
  • the current spreading layer can thereby advantageously be reduced, which has an advantageous effect on the efficiency and / or the laser activity threshold of the component.
  • an absorbing current spreading layer which has a lower transmission than the contact layer, can be provided in addition to the radiation-permeable contact layer.
  • the thickness of this current spreading layer can advantageously be reduced compared to conventional semiconductor laser components.
  • the conductivity of the contact layer in the lateral direction is preferably so high that a homogeneous current injection of the pump current into the semiconductor body is made possible by means of the contact layer.
  • the contact layer particularly preferably has a conductivity or structure in the lateral direction such that the lateral pump current density is greater over the central region of the semiconductor body than over the edge region of the semiconductor body, via which the current is preferably impressed into the contact layer.
  • the lateral pump current density can essentially have a quasi-Gaussian profile with a maximum in the central region, starting from the maximum of comparatively flat flanks in the central region and steeper flanks in the edge region.
  • a pump current density distribution in the central region above the semiconductor body which is essentially homogeneous in the lateral direction can be achieved over a comparatively high lateral region, for example with a lateral extent of 10-10000 ⁇ m, preferably 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m or 100 ⁇ m to 500 ⁇ m ,
  • the contact layer is furthermore preferably arranged on the semiconductor body. In this way, an advantageously efficient current injection into the semiconductor body can be achieved.
  • the contact layer is particularly preferably distinguished by advantageous electrical contact properties to the semiconductor body. For example, the contact layer to the semiconductor body forms an essentially ohmic contact.
  • the contact layer contains an oxide, in particular a metal oxide.
  • Radiation-permeable conductive oxides TCO: Transparent Conducting Oxide
  • the contact layer can, for example, contain or consist of one or more TCO materials, for example a zinc oxide such as ZnO, an indium tin oxide such as ITO, a tin oxide such as Sn0 2 , or a titanium oxide such as Ti0 2 .
  • the contact layer can be doped, preferably with a metal.
  • ZnO can be doped with AI, for example.
  • the contact layer preferably contains ZnO or ITO.
  • ZnO is characterized by particularly advantageous contact properties with p-type semiconductor materials.
  • ZnO has an absorption coefficient of approximately 0 for wavelengths between 400 nm and approximately 1100 nm and an absorption coefficient of 0.1 or less for wavelengths between approximately 340 nm and 1200 nm.
  • ITO for example, has approximately one for wavelengths greater than 500 nm to 1000 nm and beyond
  • Absorption coefficient of 0 and for wavelengths from 400 to 500 nm an absorption coefficient of 0.1 or less. Such low absorption coefficients correspond to high transmission values.
  • the thickness of the contact layer is preferably 100 nm or more and is less than or equal to 1000 nm.
  • a sheet resistance of the contact layer in the lateral direction can be, for example, 20 ⁇ _sq or less.
  • the unit ⁇ _sq here designates the resistance of a square surface (square) of the contact layer.
  • the resonator is formed by a first, preferably in the semiconductor body and / or as a Bragg mirror, Mirror and at least one other external mirror limited.
  • the external mirror can be designed as a coupling-out mirror for the radiation from the resonator and, for this purpose, preferably has a lower reflectivity than the first mirror.
  • the external mirror is particularly preferably spaced apart from the semiconductor body over a free beam region.
  • the radiation generated in the active zone can be reflected between the first mirror and the external mirror in such a way that a radiation field for the generation of coherent radiation (laser radiation) via induced emission in the active zone is formed in the resonator, which radiation is emitted from the resonator via the coupling-out mirror can be coupled out.
  • coherent radiation laser radiation
  • the contact layer is arranged in the direct beam path between the active zone and the external mirror of the resonator.
  • VECSEL Vertical External Cavity Surface Emitting Laser or semiconductor wafer laser
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • the active zone comprises a single or multiple quantum well structure. Structures of this type are particularly suitable for semiconductor laser components.
  • the active zone can optionally also comprise one or more quantum dots or one or more quantum wires.
  • the optical coating is at least partially designed as anti-reflection coating or high-reflection coating for radiation or radiation modes in the resonator.
  • the laser activity threshold can be reduced by means of an increased proportion of induced emission in the active zone, as a result of which lower radiation power is coupled out of the resonator.
  • Antireflection enhancement can lead to an increased threshold with consequently increased coupled-out radiation power.
  • the antireflection coating or high reflection coating can, for example, be layer-like and comprise one or more layers, optionally of different materials.
  • these layers are preferably arranged with respect to their, if necessary different, refractive indices and / or thicknesses (e.g. in the form of one or more ⁇ / 4 layers) in accordance with the desired highly reflective or antireflective properties.
  • at least one of the further layers contains an essentially dielectric material.
  • the contact layer can be designed as a layer of optical coating.
  • the optical coating is particularly preferably directly adjacent to the contact layer.
  • a selection element is provided in the resonator or the contact layer is designed as a selection element.
  • the selection element for wavelength selection and / or is preferred designed for polarization selection of the radiation in the resonator. Certain wavelengths and / or polarizations of the radiation in the resonator can be preferred over other wavelengths or polarizations by suitable formation of the selection element. In this way, the wavelength or the polarization state of the radiation emitted by the semiconductor laser component can optionally be influenced.
  • the polarization of radiation in the resonator can be stabilized in this way in such a way that a deviation of the polarization of the radiation from the polarization specified by the selection element, for example linear polarization (eg s-polarized or p-polarized), is made more difficult.
  • linear polarization eg s-polarized or p-polarized
  • the selection element comprises a lattice structure.
  • the selection properties of the selection element can be set via the grating parameters such as the arrangement and spacing of grating lines with correspondingly resulting diffraction or reflection of radiation on the grating structure.
  • the semiconductor body is arranged on a carrier, which preferably mechanically stabilizes the semiconductor body.
  • the carrier preferably emerges from a carrier layer on which a semiconductor layer system, which is preferably provided for the formation of a plurality of semiconductor bodies and comprises a corresponding sequence of semiconductor layers, is arranged in the wafer composite.
  • a plurality of semiconductor bodies can be made from the semiconductor layer system, for example by means of photolithographic methods in combination with etching processes are structured, which are arranged on the common carrier layer.
  • the carrier can, for example, emerge from the carrier layer when this structure is separated into semiconductor chips (at least one semiconductor body arranged on the carrier).
  • the carrier layer in particular a growth substrate of the semiconductor layer system, on which the
  • Semiconductor layer system preferably grown epitaxially, comprise or be formed from this.
  • the carrier layer can also be different from the growth substrate of the semiconductor layer system.
  • such a carrier can contain a semiconductor material or a metal that is different from the growth substrate and / or can be designed as a heat sink.
  • the semiconductor layer system arranged on the growth substrate or the plurality of semiconductor bodies can be attached on the side opposite the growth substrate on a carrier layer different from the growth substrate during manufacture.
  • wafer bonding processes such as anodic bonding, eutectic bonding or soldering can be suitable for this.
  • the growth substrate is subsequently removed, for example by means of a laser ablation process, a mechanical process such as grinding, or a chemical process such as etching.
  • the carrier of the semiconductor body can emerge from the carrier layer different from the growth substrate.
  • the semiconductor body can also be arranged and / or fastened on a carrier different from the growth substrate, after which, if necessary the growth substrate or residues of the growth substrate are removed from the semiconductor body.
  • the detachment of the growth substrate advantageously increases the degrees of freedom with regard to the choice of the carrier.
  • the carrier does not have to meet the high requirements for a growth substrate, but can be chosen comparatively freely with regard to advantageous properties, such as high thermal and / or electrical conductivity.
  • the semiconductor body is prefabricated and the contact layer is applied to the semiconductor body after it has been manufactured.
  • the semiconductor body and the contact layer can thus be produced using different methods and / or in succession.
  • the semiconductor body can be produced, for example, by means of epitaxy and a contact layer, preferably containing TCO, can be applied to the semiconductor body after the epitaxial phase has ended, for example by means of sputtering.
  • prefabrication of the semiconductor body should also be understood to mean the prefabrication of a semiconductor layer system which is provided for the formation of a plurality of semiconductor bodies.
  • a nonlinear optical element preferably for frequency conversion, is arranged in the resonator.
  • the nonlinear optical element is designed as a frequency doubler (SHG: second harmony generation).
  • the nonlinear optical element is preferably designed for frequency conversion of radiation in the invisible spectral range, such as the infrared, into radiation in the visible spectral range.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a semiconductor laser component according to the invention on the basis of a schematic sectional view
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a semiconductor body of a semiconductor laser component according to the invention in FIG. 2A and in the diagram in FIG. 2B qualitatively the lateral profile of the pump current density corresponding to FIG. 2A,
  • Figure 3 is a schematic plan view of a semiconductor body of a semiconductor laser device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a semiconductor laser component according to the invention on the basis of a schematic sectional view.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a semiconductor laser component according to the invention using a schematic sectional view.
  • the active zone is designed, for example, as a multiple quantum well structure.
  • a Bragg mirror 4 is arranged between the active zone 3 and the carrier 1, which together with an external one Mirror 5 forms an optical resonator for the radiation generated in the active zone 3.
  • the Bragg mirror 4 is integrated together with the semiconductor layer sequence 2 in the semiconductor body of the semiconductor laser component.
  • the semiconductor laser component in particular the semiconductor body or the active zone, contains at least one III -V semiconductor material, for example a semiconductor material from the material systems In x Ga y Al ⁇ - X. y P, In x Ga y Al ⁇ . x . y As or In x Ga y Al ⁇ . x _ y N with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ l.
  • the semiconductor body can also be a semiconductor material from the III -V semiconductor material system In y Ga ⁇ - y As x P ⁇ . x with O ⁇ x ⁇ l and O ⁇ y ⁇ l included.
  • These materials are characterized by easily attainable high internal quantum efficiencies and are suitable for radiation from the ultraviolet (especially In x Ga y Al ⁇ - X. Y N) to the visible (especially In x Ga y Al ⁇ _ x _ y N, In x Ga y Ali- x -y P), up to the infrared spectral range (in particular In x Ga y Al ⁇ - X. Y As, In y Ga ⁇ _ y As x P ⁇ - X ).
  • the semiconductor body is preferably based on the material system In x Ga y Al ⁇ . x -y As. Radiation in the infrared spectral range, in particular in the wavelength range between 800 nm and 1100 nm, can be generated particularly efficiently in this material system.
  • the carrier contains GaAs and the semiconductor layer sequence is based on the material system In x Ga y Al ⁇ - X _ y As with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ l.
  • a wavelength of the radiation generated in the active zone lies in the spectral range between 200 nm and 2000 nm.
  • the contact layer preferably has a particularly high transmission for the wavelength of the radiation generated in the active zone.
  • the external mirror 5 is designed as a coupling-out mirror of the laser radiation generated in the resonator by means of induced emission and has a lower reflectivity than the Bragg mirror 4. The arrangement of the external mirror or the resonator length can influence the radiation profile of the coherent laser radiation coupled out of the resonator become.
  • the Bragg mirror has a plurality of pairs of semiconductor layers with an advantageously high refractive index difference.
  • a GaAs and an AlGaAs ⁇ / 4 layer each form
  • the plurality of layer pairs in the Bragg mirror 4 is indicated schematically in FIG. 1.
  • the Bragg mirror preferably comprises a sequence of 20 to 30 or more semiconductor layer pairs, which results in a total reflectivity of the Bragg mirror of 99.9% or more for the laser radiation.
  • the Bragg mirror is advantageously produced together with the semiconductor layer sequence, for example epitaxially.
  • Semiconductor layer sequence 2 is arranged over a contact region of the semiconductor layer sequence, a contact layer 6, for example ZnO doped with Al, which is permeable to the generated radiation, for example with a concentration of 2%, containing or consisting thereof.
  • the contact layer 6 is electrically conductively connected to the semiconductor layer sequence.
  • the contact layer is preferably arranged directly on the semiconductor layer sequence.
  • the electrical contact between the semiconductor layer sequence and the contact layer preferably has an essentially ohmic characteristic.
  • the semiconductor laser component is connected via a first connection 7 arranged on the side of the carrier facing away from the semiconductor layer sequence 2 and via a first connection 7 on the side of the semiconductor layer sequence opposite the carrier arranged second connection 8, for example each containing at least one metal, electrically pumped.
  • the layer-like second connection 8 is recessed over the central region of the semiconductor layer sequence and runs, for example, in a ring-like manner over the edge region of the semiconductor layer sequence.
  • the second connection 8 is electrically conductively connected to the contact layer 6 and can contain, for example, Ti, Al, Pt or alloys with at least one of these materials.
  • An insulation layer 9 is preferably arranged between the second connection 8 and the semiconductor layer sequence 2, which has a recess with a lateral extent, which is preferably larger at least in partial areas than that of the recess in the second connection, so that an overlap of connection and Contact layer is created. Electrical pumping of the edge region of the active zone arranged under the insulation layer is thus advantageously avoided due to the low conductivity of the semiconductor layer sequence in the lateral direction compared to the contact layer and a current injection via the contact layer predominantly in the central region.
  • the insulation layer 9 can contain, for example, a silicon nitride, a silicon oxide or a silicon oxynitride.
  • the insulation layer is preferably also designed as a passivation layer, which advantageously increases the protection of the semiconductor body from harmful external influences.
  • the current path of the pump current in the semiconductor body can be determined by the contact area of the contact layer with the semiconductor body and the formation of the insulation layer. Additional, comparatively complex measures for current routing in the semiconductor body, for example targeted electrical obliteration by implantation or oxide diaphragms in the edge region within the semiconductor body or the semiconductor layer sequence, can advantageously be dispensed with.
  • Radiation generated in the active zone is emitted from the semiconductor body in the vertical direction by the surface 10, extends over a free radiation area 11 and strikes the external mirror 5.
  • the semiconductor layer sequence preferably on its side facing the contact layer from the active zone, comprises at least one p-type semiconductor layer.
  • a region of the semiconductor layer sequence between the contact layer and the active zone is particularly preferably p-type and / or a region between the Bragg mirror and the active zone is n-type.
  • the carrier and the Bragg mirror are n-type.
  • the carrier 1 can be formed from a section of the growth substrate of the semiconductor body, on which the Bragg mirror and subsequently the semiconductor layer sequence were grown, preferably epitaxially.
  • the insulation layer can first be applied over the entire surface of the prefabricated semiconductor body. After the application, it is removed over the contact area of the semiconductor layer sequence. In the area in which the insulation layer is removed, the contact layer material is applied to the semiconductor body. Like the insulation layer, the contact layer can be sputtered onto the semiconductor body or the semiconductor layer sequence.
  • the contact layer can, if appropriate, be formed in combination with one or more layers arranged on the side of the semiconductor body or one or more layers, preferably essentially dielectric, applied subsequently to the contact layer as a high-reflection or anti-reflection coating for radiation or radiation modes in the resonator.
  • a non-linear optical element for frequency conversion can be arranged in the resonator, preferably in the free beam region 11.
  • FIG. 2 schematically shows a top view of a semiconductor body of a semiconductor laser component according to the invention in FIG. 2A and in FIG. 2B qualitatively the course of the pump current density in the contact layer as a function of the lateral position above the semiconductor body.
  • FIG. 2A shows a schematic plan view of a semiconductor body of a semiconductor laser component according to the invention.
  • FIG. 1 can essentially show a sectional view along the line AA from FIG. 2A. The second connection from FIG. 1 has not been shown.
  • FIG. 2A shows an insulation layer 9 arranged on a semiconductor body. This is recessed in a contact area 12, which comprises a central area 120 and connecting fingers 121, which preferably extend essentially radially outward from the central area and occupy a comparatively small area of the contact area 12.
  • the contact layer 6 is applied in the recess of the insulation layer 9 over the entire contact area 12.
  • the formation of the recess thus determines the shape of the contact surface between the contact layer and the semiconductor body.
  • FIG. 2B shows qualitatively the dependence of the pump current density j over the semiconductor body on the part of the contact layer on the lateral position r.
  • the sections 900 of the curve correspond to the edge areas from FIG. 2A in which the semiconductor body is covered by the insulation layer 9, the sections 1210 to the connection fingers 121 and the section 1200 to the central area 120.
  • the pump current density is comparatively high and essentially homogeneous. Starting from a maximum in the central region of the central region 120 in section 1200, it drops only slightly in the direction of the connecting fingers, while in sections 900 of the edge regions in which the insulation layer 9 is arranged, is comparatively small. In sections 1210 of the connection fingers, the pump current density drops comparatively strongly towards the outside.
  • a comparatively homogeneous pump current density distribution over the lateral central region 120 can thus be realized via the radiation-permeable contact layer.
  • the lateral extent of the central region can be, for example, 10-10000 ⁇ m, preferably 100 ⁇ m or more.
  • the lateral pump current density distribution over the semiconductor body can preferably be implemented on the part of the contact layer in accordance with a Gaussian or Hypergauß distribution.
  • the shape of the pump profile shown qualitatively in FIG. 2B is due to the high conductivity of the
  • the contact layer in the lateral direction over wide thickness ranges regardless of the thickness of the contact layer.
  • the contact layer can therefore be made with a comparatively small thickness, for example of 10 ⁇ m or less.
  • FIG. 3 schematically shows a top view of another semiconductor body of a semiconductor laser component according to the invention.
  • Figure 1 can, for example, essentially show a sectional view along the line B-B from Figure 3. The second connection from FIG. 1 has not been shown.
  • a selection element 13 is provided in the form of a grid formed by the grid lines 130.
  • a lattice structure for example in the form of a line lattice, can be introduced into the insulation layer 9 and / or the contact layer 6, for example by means of etching.
  • the Lattice structure is provided at least in the middle region of the contact region 12 in the contact layer 6 above the semiconductor body.
  • the wavelength of the radiation amplified in the resonator and thus the wavelength of the laser radiation emitted by the component can be influenced via the grating structure, in particular the spacing of the grating lines. Diffraction or reflection of a laser radiation mode on the grating means that the losses for this mode are increased and consequently the laser activity threshold for this mode cannot be reached or can only be reached with difficulty.
  • the diffraction or reflection properties of the grating can be set via the spacing of the grating lines.
  • the selection element can continue to
  • Polarization stabilization can be formed in that a polarization state of a laser radiation mode is preferred over modes with different polarization via the grating structure.
  • the selection element 13 can thus act as a polarization and / or wavelength filter.
  • the contact area 12 and the contact layer 6 are here essentially circular and the contact layer can be contacted by a suitable overlap with a second connection, as shown schematically in FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a semiconductor laser component according to the invention using a schematic sectional view.
  • the semiconductor laser component shown in FIG. 4 essentially corresponds to that shown in FIG. 1.
  • the semiconductor body with the Bragg mirror 4 and the semiconductor layer sequence 2 with the active zone 3 on the part of the Bragg mirror 4 is arranged on the carrier 1 via a connecting layer 14 and is preferably fixed stably.
  • the carrier 1 is preferably different from the growth substrate of the semiconductor body and comprises, for example, a heat sink which contains about CuW, CuDia, Cu, SiC or BN.
  • the heat sink advantageously facilitates the dissipation of heat from the active zone, so that the risk of the component's thermal efficiency being reduced, in particular at high powers, which often also entail high heat losses, is reduced.
  • the semiconductor body is first prefabricated, the Bragg mirror being produced on a growth substrate according to the semiconductor layer sequence. On the part of the Bragg mirror, the semiconductor body is then attached to the carrier by means of eutectic bonding, after which the growth substrate, e.g. is removed by means of wet chemical etching or a laser ablation process.
  • the connection layer 14 can, for example, be a layer formed by means of eutectic bonding.
  • the semiconductor body according to FIG. 4 can accordingly be produced in the reverse order to the semiconductor body shown in FIG. 1.

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Abstract

Es wird ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaser-Bauelement, insbesondere elektrisch gepumptes Halbleiterlaser-Bauelement, mit einer vertikalen Emissionsrichtung angegeben, das zur Erzeugung von Laserstrahlung mittels eines externen optischen Resonators (4,5) vorgesehen ist, umfassend einen Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschichtenfolge (2), die eine laterale Haupterstreckungsrichtung und eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Zone (3) aufweist, wobei innerhalb des Resonators eine strahlungsdurchlässige Kontaktschicht (6) angeordnet und mit dem Halbleiterkörper elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Beschreibung
Oberflächenemittierendes Halbleiterlaserbauelement mit einer vertikalen Emissionsrichtung
Die Erfindung betrifft ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaser-Bauelement, insbesondere ein elektrisch gepumptes Halbleiterlaser-Bauelement, mit einer vertikalen Emissionsrichtung, das zur Erzeugung von Laserstrahlung mittels eines optischen Resonators vorgesehen ist, und einen Halbleiterkorper mit einer Halbleiterschichtenfolge, die eine laterale Haupterstreckungsrichtung und eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Zone aufweist, u fasst .
In herkömmlichen elektrisch gepumpten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser-Bauelementen wird wegen der gewöhnlich geringen Leitfähigkeit der Halbleitermaterialien des Halbleiterkörpers in lateraler Richtung der Pumpstrom oftmals über eine StromaufWeitungsschicht von der n-leitenden Seite des Halbleiterkörpers in diesen injiziert. Hierzu werden beispielsweise Schichten aus III-V-Halbleitermaterialien, wie n-GaAs, benutzt. Derartige Stromaufweitungsschichten weisen jedoch häufig ebenfalls eine geringe, oftmals mit der des Halbleiterkörpers vergleichbare, Leitfähigkeit in lateraler Richtung auf oder absorbieren die in der aktiven Zone erzeugte Strahlung. Aufgrund der geringen Leitfähigkeit muss eine derartige Stro aufweitungsschicht zur effizienten Strominjektion oftmals mit hoher Dicke ausgeführt werden, wodurch die in der Stromaufweitungsschicht absorbierte Strahlungsleistung jedoch erhöht wird. Insgesamt wird ist die Gefahr einer Effizienzminderung des Halbleiterlaser-Bauelements aufgrund der geringen Leitfähigkeit in lateraler Richtung und/oder der Absorption erhöht . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes oberflächenemittierendes Halbleiterlaser-Bauelement anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleiterlaser- Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche .
Ein erfindungsgemäßes oberflächenemittierendes Halbleiterlaser-Bauelement mit einer vertikalen Emissionsrichtung, das zur Erzeugung von Laserstrahlung mittels eines externen optischen Resonators vorgesehen ist, umfasst einen Halbleiterkorper mit einer Halbleiterschichtenfolge, die eine laterale Hauptstreckungsrichtung und eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Zone aufweist, wobei innerhalb des Resonators eine strahlungsdurchlässige Kontaktschicht angeordnet und mit dem Halbleiterkorper elektrisch leitend verbunden ist. Vorzugsweise wird das Halbleiterlaser- Bauelement mittels der strahlungsdurchlässigen Kontaktschicht elektrisch gepumpt.
Absorptionsverluste in einer absorbierenden
Stromaufweitungsschicht können dadurch vorteilhaft verringert werden, was sich vorteilhaft auf die Effizienz und/oder die Lasertätigkeitsschwelle des Bauelements auswirkt.
Gegebenenfalls kann noch zusätzlich zur strahlungsdurchlässigen Kontaktschicht eine absorbierende Stromaufweitungsschicht, welche eine geringere Transmission als die KontaktSchicht aufweist, vorgesehen sein. Die Dicke dieser Stromaufweitungsschicht kann jedoch verglichen mit herkömmlichen Halbleiterlaser-Bauelementen vorteilhaft verringert sein. Bevorzugt ist die Leitfähigkeit der KontaktSchicht in lateraler Richtung so hoch, dass eine homogene Stromeinprägung des Pumpstroms in den Halbleiterkorper mittels der Kontaktschicht ermöglicht wird. Besonders bevorzugt weist die Kontaktschicht eine derartige Leitfähigkeit oder Struktur in lateraler Richtung auf, dass die laterale Pumpstromdichte über dem Zentralbereich des Halbleiterkörpers größer ist als über dem Randbereich des Halbleiterkörpers, über dem vorzugsweise die Stromeinprägung in die Kontaktschicht erfolgt.
Die laterale Pum stromdichte kann im wesentlichen ein quasi- gaußförmiges Profil mit einem Maximum im Zentralbereich, ausgehend vom Maximum vergleichsweise flachen Flanken im Zentralbereich und steiler werdenden Flanken im Randbereich aufweisen.
Mittels der Kontaktschicht kann über einen vergleichsweise hohen lateralen Bereich, beispielsweise mit einer lateralen Ausdehnung von 10-10000 μm, vorzugsweise 100 μm bis 1000 μm oder 100 μm bis 500 μm, eine in lateraler Richtung im wesentlichen homogene Pumpstromdichteverteilung im Zentralbereich über dem Halbleiterkorper erreicht werden.
Weiterhin bevorzugt ist die Kontaktschicht auf dem Halbleiterkorper angeordnet . Hierdurch kann eine vorteilhaft effiziente Stromeinprägung in den Halbleiterkorper erreicht werden. Besonders bevorzugt zeichnet sich die Kontaktschicht durch vorteilhafte elektrische Kontakteigenschaften zum Halbleiterkorper aus. Beispielsweise bildet die Kontaktschicht zum Halbleiterkorper einen im Wesentlichen ohmschen Kontakt aus .
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die Kontaktschicht ein Oxid, insbesondere ein Metalloxid. Strahlungsdurchlässige leitfähige Oxide (TCO: Transparent Conducting Oxide) , insbesondere Metalloxide, zeichnen sich durch hohe Strahlungsdurchlässigkeit über einen weiten Wellenlängenbereich bei gleichzeitig hohen Leitfähigkeiten in lateraler Richtung aus. Die Kontaktschicht kann beispielsweise eines oder mehrere TCO-Materialien, etwa ein Zinkoxid, wie ZnO, ein Indiumzinnoxid, wie ITO, ein Zinnoxid, wie Sn02, oder ein Titanoxid, wie Ti02, enthalten oder daraus bestehen. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit kann die Kontaktschicht, vorzugsweise mit einem Metall, dotiert sein. ZnO kann beispielsweise mit AI dotiert sein.
Bevorzugt enthält die Kontaktschicht ZnO oder ITO. ZnO zeichnet sich durch besonders vorteilhafte Kontakteigenschaften zu p-leitenden Halbleitermaterialien aus .
ZnO beispielsweise weist für Wellenlängen zwischen 400 nm und ungefähr 1100 nm annähernd einen Absorptionskoeffizienten von 0 und für Wellenlängen zwischen ungefähr 340 nm und 1200 nm einen Absorptionskoeffizienten von 0,1 oder weniger auf. ITO weist beispielsweise für Wellenlängen größer 500 nm bis 1000 nm und darüber hinaus annähernd einen
Absorptionskoeffizienten von 0 und für Wellenlängen von 400 bis 500 nm einen Absorptionskoeffizienten von 0,1 oder weniger auf. Derartig geringe Absorptionskoeffizienten entsprechen hohen Werten der Transmission.
Mit Vorzug beträgt die Dicke der Kontaktschicht 100 nm oder mehr und ist kleiner oder gleich 1000 nm. Ein Schichtwiderstand der Kontaktschicht in lateraler Richtung kann beispielsweise 20 Ω_sq oder weniger betragen. Die Einheit Ω_sq bezeichnet hierbei den Widerstand einer quadratischen Fläche (Square) der Kontaktschicht .
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Resonator durch einen ersten, vorzugsweise im Halbleiterkorper und/oder als Bragg-Spiegel ausgebildeten, Spiegel und mindestens einen weiteren externen Spiegel begrenzt .
Der externe Spiegel kann als Auskoppelspiegel für die Strahlung aus dem Resonator ausgebildet sein und weist hierzu bevorzugt eine geringere Reflektivität als der erste Spiegel auf. Besonders bevorzugt ist der externe Spiegel über einen Freistrahlbereich von dem Halbleiterkorper beabstandet.
Die in der aktiven Zone erzeugte Strahlung kann zwischen dem ersten Spiegel und dem externen Spiegel derart reflektiert werden, dass sich im Resonator ein Strahlungsfeld für die Erzeugung kohärenter Strahlung (Laserstrahlung) über induzierte Emission in der aktiven Zone ausbildet, die über den AuskoppelSpiegel aus dem Resonator ausgekoppelt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kontaktschicht im direkten Strahlengang zwischen der aktiven Zone und dem externen Spiegel des Resonators angeordnet .
Mittels oberflächenemittierender Halbleiterlaser-Bauelemente mit externem Resonator (VECSEL: Vertical External Cavity Surface Emitting Laser oder Halbleiterscheibenlaser) können verglichen mit Bauelementen mit internem Resonator (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) hohe Ausgangsleistungen erreicht werden.
Die aktive Zone umfasst gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Einfach- oder Mehrfach- QuantentopfStruktur . Derartige Strukturen sind für Halbleiterlaser-Bauelemente besonders geeignet. Gegebenenfalls kann die aktive Zone auch einen oder mehrere Quantenpunkte oder einen oder mehrere Quantendrähte umfassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Halbleiterkorper und Kontaktschicht oder auf der dem Halbleiterkorper abgewandten Seite der Kontaktschicht eine optische Vergütung vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die optische Vergütung zumindest teilweise als Antireflexionsvergutung oder Hochreflexionsvergütung für Strahlung oder Strahlungsmoden im Resonator ausgebildet. Mittels einer Hochreflexionsvergütung kann über einen reflexionsbedingt erhöhten Anteil an induzierter Emission in der aktiven Zone die Lasertätigkeitsschwelle verringert werden, wobei in der Folge geringere Strahlungsleistung aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Eine Antireflexionsvergutung kann zu einer erhöhten Schwelle bei folglich erhöhter ausgekoppelter Strahlungsleistung führen.
Die Antireflexionsvergütung oder Hochreflexionsvergütung können beispielsweise schichtartig ausgeführt sein und eine oder mehrere Schichten, gegebenenfalls unterschiedlicher Materialien, umfassen.
Diese Schichten sind vorzugsweise bezüglich ihrer, gegebenenfalls unterschiedlichen, Brechungsindices und/oder Dicken (z.B. in Form einer oder mehrerer λ/4-Schichten) entsprechend den gewünschten hochreflektierenden oder antireflektierenden Eigenschaften angeordnet. Beispielsweise enthält mindestens eine der weiteren Schichten ein im wesentlichen dielektrisches Material. Insbesondere kann die Kontaktschicht als eine Schicht der optischen Vergütung ausgeführt sein.
Besonders bevorzugt grenzt die optische Vergütung direkt an die Kontaktschicht .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Resonator ein Selektionselement vorgesehen oder die Kontaktschicht als Selektionselement ausgeführt. Bevorzugt ist das Selektionselement zur Wellenlängenselektion und/oder zur Polarisationsselektion der Strahlung im Resonator ausgebildet. Bestimmte Wellenlängen und/oder Polarisationen der Strahlung im Resonator können über geeignete Ausbildung des Selektionselements gegenüber anderen Wellenlängen bzw. Polarisationen bevorzugt werden. Hierüber kann gegebenenfalls die Wellenlänge bzw. der Polarisationszustand der vom Halbleiterlaser-Bauelement emittierten Strahlung beeinflusst werden .
Insbesondere kann die Polarisation von Strahlung im Resonator auf diese Weise derart stabilisiert werden, dass eine Abweichung der Polarisation der Strahlung von der vom Selektionselement vorgegebenen Polarisation, etwa linearer Polarisation (z. B. s-polarisiert oder p-polarisiert) , erschwert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Selektionselement eine Gitterstruktur. Über die Gitterparameter wie die Anordnung und Abstände von Gitterlinien mit entsprechend resultierender Beugung oder Reflexion von Strahlung an der Gitterstruktur können die Selektionseigenschaften des Selektionselements eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Halbleiterkorper auf einem Träger angeordnet, der den Halbleiterkorper vorzugsweise mechanisch stabilisiert.
Der Träger geht bevorzugt aus einer Trägerschicht hervor, auf der ein Halbleiterschichtsystem, das vorzugsweise für die Ausbildung einer Mehrzahl von Halbleiterkörpern vorgesehen ist und eine dementsprechende Abfolge von Halbleiterschichten umfasst, im Waferverbund angeordnet ist.
Aus dem Halbleiterschichtsystem kann, beispielsweise mittels photolithographischer Methoden in Kombination mit Ätzprozessen, eine Mehrzahl von Halbleiterkörpern strukturiert werden, die auf der gemeinsamen Trägerschicht angeordnet sind. Der Träger kann beispielsweise beim Vereinzeln dieser Struktur in Halbleiterchips (mindestens ein auf dem Träger angeordneter Halbleiterkorper) aus der Trägerschicht hervorgehen.
Die Trägerschicht kann, insbesondere ein Aufwachssubstrat des Halbleiterschichtsystems, auf dem das
Halbleiterschichtsystem, vorzugsweise epitaktisch, gewachsen ist, umfassen oder aus diesem gebildet sein.
Die Trägerschicht kann jedoch auch vom Aufwachssubstrat des Halbleiterschichtsystems verschieden sein.
Beispielsweise kann ein solcher Träger ein vom Aufwachssubstrat verschiedenes Halbleitermaterial oder ein Metall enthalten und/oder als Wärmesenke ausgebildet sein.
Ist der Träger vom Aufwachssubstrat des
Halbleiterschichtsystems verschieden, kann beispielsweise bei der Herstellung das auf dem Aufwachssubstrat angeordnete Halbleiterschichtsystem oder die Mehrzahl von Halbleiterkörpern seitens der dem Aufwachssubstrat gegenüberliegenden Seite auf einer vom Aufwachssubstrat verschiedenen Trägerschicht befestigt werden. Hierzu können sich beispielsweise Waferbonding-Verfahren, wie anodisches Bonden, eutektisches Bonden oder Löten eignen. Das AufwachsSubstrat wird in der Folge abgelöst, beispielsweise mittels eines Laserablationsverfahren, eines mechanischen Verfahrens, wie etwa Abschleifen, oder eines chemischen Verfahrens, wie Ätzen. Beim Vereinzeln kann der Träger des Halbleiterkörpers aus der vom Aufwachssubstrat verschiedenen Trägerschicht hervorgehen.
Der Halbleiterkorper kann jedoch auch nach dem Vereinzeln, auf einem vom AufwachsSubstrat verschiedenen Träger angeordnet und oder befestigt werden, wonach gegebenenfalls das Aufwachssubstrat oder Reste des Aufwachssubstrats vom Halbleiterkorper entfernt werden.
Das Ablösen des Aufwachssubstrats erhöht mit Vorteil die Freiheitsgrade bezüglich der Wahl des Trägers. Der Träger muss nicht den hohen Anforderungen an ein Aufwachssubstrat genügen, sondern kann vergleichsweise frei hinsichtlich vorteilhafter Eigenschaften, wie hoher thermischer und/oder elektrischer Leitfähigkeit, gewählt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Halbleiterkorper vorgefertigt und die Kontaktschicht ist nach der Fertigung des Halbleiterkörpers auf diesen aufgebracht. Halbleiterkorper und Kontaktschicht können so mittels unterschiedlichen Verfahren und/oder nacheinander hergestellt sein. Der Halbleiterkorper kann beispielsweise mittels Epitaxie hergestellt sein und eine, vorzugsweise TCO- haltige, Kontaktschicht nach beendeter Epitaxiephase, etwa mittels Sputtern, auf den Halbleiterkorper aufgebracht sein.
Es sei angemerkt, dass unter Vorfertigung des Halbleiterkörpers auch die Vorfertigung eines Halbleiterschichtsystems, das für die Ausbildung einer Mehrzahl von Halbleiterkörpern vorgesehen ist, zu verstehen ist .
In einer wiederum weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Resonator ein nichtlineares optisches Element, vorzugsweise zur Frequenzkonversion, angeordnet. Beispielsweise ist das nichtlineare optische Element als Frequenzverdoppler (SHG: Second Harmonie Generation) ausgebildet. Bevorzugt ist das nichtlineare optische Element zur Frequenzkonversion von Strahlung im unsichtbaren Spektralbereich, wie dem Infraroten, in Strahlung im sichtbaren Spektralbereich ausgebildet . Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements anhand einer schematischen Schnittansicht,
Figur 2 eine schematische Aufsicht auf einen Halbleiterkorper eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements in Figur 2A und in dem Diagramm in Figur 2B qualitativ den der Figur 2A entsprechenden lateralen Verlauf der Pumpstromdichte,
Figur 3 eine schematische Aufsicht auf einen Halbleiterkorper eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements und
Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements anhand einer schematischen Schnittansicht.
Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements anhand einer schematischen Schnittansicht.
Auf einem Träger 1, ist eine Halbleiterschichtenfolge 2, mit einer zur Strahlungserzeugung, vorzugsweise Strahlung einer Wellenlänge im infraroten Spektralbereich, vorgesehenen aktiven Zone 3 angeordnet. Die aktive Zone ist zum Beispiel als Mehrfach-QuantentopfStruktur ausgebildet.
Zwischen der aktiven Zone 3 und dem Träger 1 ist ein Bragg-Spiegel 4 angeordnet, der zusammen mit einem externen Spiegel 5 einen optischen Resonator für die in der aktiven Zone 3 erzeugte Strahlung bildet. Der Bragg-Spiegel 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel zusammen mit der Halbleiterschichtenfolge 2 in den Halbleiterkorper des Halbleiterlaser-Bauelements integriert .
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält das Halbleiterlaser-Bauelement, insbesondere der Halbleiterkorper oder die aktive Zone, mindestens ein III -V- Halbleitermaterial, etwa ein Halbleitermaterial aus den MaterialSystemen Inx Gay Alι-X.y P, Inx Gay Alι.x.y As oder Inx Gay Alι.x_y N mit O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l. Auch kann der Halbleiterkorper ein Halbleitermaterial aus dem III -V- Halbleitermaterialsystem Iny Gaι-y Asx Pχ.x mit O≤x≤l und O≤y≤l enthalten.
Diese Materialien zeichnen sich durch vereinfacht erreichbare hohe interne Quanteneffizienzen aus und eignen sich für Strahlung vom ultravioletten (insbesondere Inx Gay Alι-X.y N) über den sichtbaren (insbesondere Inx Gay Alι_x_y N, Inx Gay Ali-x-y P) , bis in den infraroten Spektralbereich (insbesondere Inx Gay Alι-X.y As, Iny Gaι_y Asx Pι-X) .
Bevorzugt basiert der Halbleiterkorper auf dem Materialsystem Inx Gay Alι.x-y As . Strahlung im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1100 nm, kann in diesem Materialsystem besonders effizient erzeugt werden. Beispielsweise enthält der Träger GaAs und die Halbleiterschichtenfolge basiert auf dem Materialsystem Inx Gay Alι-X_y As mit O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt eine Wellenlänge der in der aktiven Zone erzeugten Strahlung im Spektralbereich zwischen 200 nm und 2000 nm. Die Kontaktschicht weist mit Vorzug für die Wellenlänge der in der aktiven Zone erzeugten Strahlung eine besonders hohe Transmission auf. Der externe Spiegel 5 ist als AuskoppelSpiegel der im Resonator mittels induzierter Emission erzeugten Laserstrahlung ausgebildet und besitzt eine geringere Reflektivität als der Bragg-Spiegel 4. Über die Anordnung des externen Spiegels bzw. die Resonatorlänge, kann die Abstrahlprofil der aus dem Resonator ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlung beeinflusst werden.
Der Bragg-Spiegel weist eine Mehrzahl von Halbleiterschichtenpaaren mit einem vorteilhaft hohen Brechungsindexunterschied auf. Beispielsweise bilden je eine GaAs- und eine AlGaAs-λ/4-Schicht ein
Halbleiterschichtenpaar. Die Mehrzahl von Schichtpaaren im Bragg-Spiegel 4 ist in Figur 1 schematisch angedeutet. Bevorzugt umfasst der Bragg-Spiegel eine Abfolge von 20 bis 30 oder mehr Halbleiterschichtenpaaren, woraus eine Gesamtreflektivität des Bragg-Spiegels von 99,9 % oder mehr für die Laserstrahlung resultiert. Mit Vorteil wird der Bragg-Spiegel gemeinsam mit der Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise epitaktisch, hergestellt.
Auf der dem Träger 1 abgewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge 2 ist über einem Kontaktbereich der Halbleiterschichtenfolge eine für die erzeugte Strahlung durchlässige Kontaktschicht 6, etwa ZnO mit AI dotiert, z.B. mit einer Konzentration von 2%, enthaltend oder daraus bestehend, angeordnet. Die Kontaktschicht 6 ist mit der Halbleiterschichtenfolge elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise ist die Kontaktschicht direkt auf der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Der elektrische Kontakt zwischen Halbleiterschichtenfolge und Kontaktschicht weist bevorzugt eine im wesentlichen ohmsche Charakteristik auf. Das Halbleiterlaser-Bauelement wird über einen auf der der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite des Trägers angeordneten ersten Anschluss 7 und einen auf der dem Träger gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschichtenfolge angeordneten zweiten Anschluss 8, beispielsweise jeweils mindestens ein Metall enthaltend, elektrisch gepumpt.
Um Absorption in dem zweiten Anschluss 8, etwa einem metallischen Anschluss, zu vermeiden ist der schichtartige zweite Anschluss 8 über dem Zentralbereich der Halbleiterschichtenfolge ausgespart und verläuft beispielsweise ringartig über dem Randbereich der Halbleiterschichtenfolge. Der zweite Anschluss 8 ist mit der Kontaktschicht 6 elektrisch leitend verbunden und kann beispielsweise Ti, AI, Pt oder Legierungen mit mindestens einem dieser Materialien enthalten.
Vorzugsweise ist zwischen dem zweiten Anschluss 8 und der Halbleiterschichtenfolge 2 eine Isolationsschicht 9 angeordnet, welche eine Aussparung mit einem lateralen Ausdehnung aufweist, die vorzugsweise zumindest in Teilbereichen größer als die der Aussparung im zweiten Anschluss ist, so dass in diesen Teilbereichen ein Überlapp von Anschluss und Kontaktschicht entsteht. Ein elektrisches Pumpen des unter der Isolationsschicht angeordneten Randbereichs der aktiven Zone wird so aufgrund der verglichen mit der Kontaktschicht geringen Leitfähigkeit der Halbleiterschichtenfolge in lateraler Richtung und einer Strominjektion über die Kontaktschicht vorwiegend im Zentralbereich vorteilhaft vermieden.
Die Isolationsschicht 9 kann beispielsweise ein Siliziumnitrid, ein Siliziumoxid oder ein Siliziumoxinitrid enthalten Bevorzugt ist die Isolationsschicht zugleich als Passivierungsschicht ausgebildet, die den Schutz des Halbleiterkörpers vor schädlichen äußeren Einflüssen vorteilhaft erhöht .
Über den zweiten Anschluss 8 in die Kontaktschicht eingespeister Strom wird aufgrund der vorteilhaft hohen Querleitfähigkeit der Kontaktschicht 6 in lateraler Richtung vorwiegend über den Zentralbereich des Halbleiterkörpers in die Halbleiterschichtenfolge injiziert. Die über den vollflächigen ersten Anschluss 7, den Träger 1 und den Bragg-Spiegel 4 großflächig homogen in die aktive Zone injizierten Ladungsträger können mit den über den zweiten Anschluss 8 und die Kontaktschicht 6 in die aktive Zone 3 injizierten Ladungsträgern strahlend rekombinieren. Die strahlende Rekombination bzw. Strahlungserzeugung findet aufgrund der vergleichsweise geringen Querleitfähigkeit der Halbleiterschichtenfolge vorwiegend im Zentralbereich der aktiven Zone statt.
Der Strompfad des Pumpstroms im Halbleiterkorper kann bei der Erfindung durch die Kontaktfläche der Kontaktschicht mit dem Halbleiterkorper und die Ausbildung der Isolationsschicht bestimmt werden. Auf zusätzliche, vergleichsweise aufwendige Maßnahmen zur Stromführung im Halbleiterkorper, etwa gezielte elektrische Verödung durch Implantation oder Oxidblenden im Randbereich innerhalb des Halbleiterkörpers bzw. der Halbleiterschichtenfolge kann mit Vorteil verzichtet werden.
In der aktiven Zone erzeugte Strahlung wird in vertikaler Richtung seitens der Oberfläche 10 aus dem Halbleiterkorper emittiert, verläuft über einen Freistrahlbereich 11 und trifft auf den externen Spiegel 5.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Halbleiterschichtenfolge, vorzugsweise auf ihrer der Kontaktschicht von der aktiven Zone aus gesehen zugewandten Seite, zumindest eine p-leitende Halbleiterschicht. Besonders bevorzugt ist ein Bereich der Halbleiterschichtenfolge zwischen der Kontaktschicht und der aktiven Zone p-leitend und/oder ein Bereich zwischen dem Bragg-Spiegel und der aktiven Zone n-leitend ausgebildet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Träger und Bragg-Spiegel n-leitend ausgebildet. Der Träger 1 kann aus einem Teilstück des Aufwachssubstrats des Halbleiterkörpers, auf dem zuerst der Bragg-Spiegel und nachfolgend die Halbleiterschichtenfolge, vorzugsweise epitaktisch, gewachsen wurden, gebildet sein.
Die Isolationsschicht kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung zunächst vollflächig auf den vorgefertigten Halbleiterkorper aufgebracht werden. Nach dem Aufbringen wird sie über dem Kontaktbereich der Halbleiterschichtenfolge entfernt. In dem Bereich, in dem die Isolationsschicht entfernt ist, wird das Kontaktschichtmaterial auf den Halbleiterkorper aufgebracht. Die Kontaktschicht kann ebenso wie die Isolationsschicht auf den Halbleiterkorper bzw. die Halbleiterschichtenfolge gesputtert sein.
Die Kontaktschicht kann gegebenenfalls in Kombination mit einer oder mehreren seitens des Halbleiterkörpers angeordneten Schichten oder einer oder mehreren nachträglich auf die Kontaktschicht aufgebrachten, vorzugsweise im wesentlichen dielektrischen, Schichten, als Hochreflexions- oder Antireflexionsbeschichtung für Strahlung oder Strahlungsmoden im Resonator ausgebildet sein.
Gegebenenfalls kann ein nicht lineares optisches Element zur Frequenzkonversion im Resonator, vorzugsweise im FreiStrahlbereich 11, angeordnet sein.
Figur 2 zeigt schematisch eine Aufsicht von oben auf einen Halbleiterkorper eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements in Figur 2A und in Figur 2B qualitativ den Verlauf der Pumpstromdichte in der Kontaktschicht in Abhängigkeit von der lateralen Position über dem Halbleiterkorper.
Figur 2A zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Halbleiterkorper eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements. Beispielsweise ist eine Aufsicht aus dem Freistrahlbereich 11 aus Figur 1 auf die dortige Kontaktschicht gezeigt. Figur 1 kann beispielsweise im wesentlichen eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus Figur 2A zeigen. Auf eine Darstellung des zweiten Anschlusses aus Figur 1 wurde verzichtet .
In Figur 2A ist eine auf einem Halbleiterkorper angeordnete Isolationsschicht 9 dargestellt. Diese ist in einem Kontaktbereich 12, der einen Zentralbereich 120 und Anschlussfinger 121 umfasst, die vorzugsweise vom Zentralbereich ausgehend im wesentlichen radial nach außen verlaufen und eine vergleichsweise geringe Fläche des Kontaktbereichs 12 einnehmen, ausgespart.
Die Kontaktschicht 6 ist in der Aussparung der Isolationsschicht 9 über den gesamten Kontaktbereich 12 aufgebracht. Die Ausbildung der Aussparung bestimmt somit die Form der Kontaktfläche zwischen Kontaktschicht und Halbleiterkorper. Über einen beispielsweise ringförmigen Anschluss der mit der Kontaktschicht 6 im Bereich der Anschlussfinger 121 leitend verbunden und über dem Zentralbereich 120 ausgespart ist, kann mittels der Kontaktschicht 6 Strom in die aktive Zone injiziert werden.
Figur 2B zeigt qualitativ die Abhängigkeit der Pumpstromdichte j über dem Halbleiterkorper seitens der Kontaktschicht von der lateralen Position r. Die Abschnitte 900 der Kurve entsprechen den Randbereichen aus Figur 2A in denen der Halbleiterkorper von der Isolationsschicht 9 überdeckt ist, die Abschnitte 1210 den Anschlussfingern 121 und der Abschnitt 1200 dem Zentralbereich 120.
Im Zentralbereich 120 ist die Pumpstromdichte vergleichsweise hoch und im wesentlichen homogen. Sie fällt ausgehend von einem Maximum im Mittenbereich des Zentralbereichs 120 im Abschnitt 1200 in Richtung der Anschlussfinger nur leicht ab, während sie in den Abschnitten 900 der Randbereiche, in denen die Isolationsschicht 9 angeordnet ist, vergleichsweise gering ist. In den Abschnitten 1210 der Anschlussfinger fällt die Pumpstromdichte vergleichsweise stark nach außen hin ab.
Über die strahlungsdurchlässige Kontaktschicht kann somit eine vergleichsweise homogene Pumpstromdichteverteilung über den lateralen Zentralbereich 120 realisiert werden. Die laterale Ausdehnung des Zentralbereichs kann beispielsweise 10-10000 μm , vorzugsweise 100 μm oder mehr, betragen. Bevorzugt kann die laterale Pumpstromdichteverteilung über dem Halbleiterkorper seitens der Kontaktschicht entsprechend einer Gauß- oder Hypergaußverteilung realisiert werden.
Die Gestalt des in Figur 2B qualitativ gezeigten Pumpprofils ist aufgrund der hohen Leitfähigkeit des
Kontaktschichtmaterials in lateraler Richtung über weite Dicken-Bereiche unabhängig von der Dicke der Kontaktschicht. Die Kontaktschicht kann daher im Rahmen der Erfindung mit einer vergleichsweise geringen Dicke, beispielsweise von 10 μm oder weniger, ausgeführt sein.
In Figur 3 ist eine Aufsicht auf einen weiteren Halbleiterkorper eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser- Bauelements schematisch dargestellt.
Beispielsweise ist eine Aufsicht aus dem Freistrahlbereich 11 aus Figur 1 auf die dortige Kontaktschicht gezeigt. Figur 1 kann beispielsweise im wesentlichen eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus Figur 3 zeigen. Auf eine Darstellung des zweiten Anschlusses aus Figur 1 wurde verzichtet .
Hier ist ein Selektionselement 13 in Form eines durch die Gitterlinien 130 gebildeten Gitters vorgesehen. Eine Gitterstruktur, beispielsweise in Form eines Liniengitters, kann etwa mittels Ätzen in die Isolationsschicht 9 und/oder die Kontaktschicht 6 eingebracht sein. Vorzugsweise ist die Gitterstruktur zumindest im Mittenbereich des Kontaktbereichs 12 in der Kontaktschicht 6 über dem Halbleiterkorper vorgesehen.
Über die Gitterstruktur, insbesondere die Abstände der Gitterlinien, kann die Wellenlänge der im Resonator verstärkten Strahlung und somit die Wellenlänge der vom Bauelement emittierten Laserstrahlung beeinflusst werden. So führt Beugung- oder Reflexion einer Laserstrahlungs-Mode am Gitter dazu, dass die Verluste für diese Mode erhöht sind und folglich die Lasertätigkeitsschwelle für diese Mode nicht oder nur erschwert erreichbar ist . Über die Abstände der Gitterlinien können die Beugungs- oder Reflexionseigenschaften des Gitters eingestellt werden.
Das Selektionselement kann weiterhin zur
Polarisationsstabilisierung ausgebildet sein, indem über die Gitterstruktur ein Polarisationszustand der einer Laserstrahlungs-Mode gegenüber anders polarisierten Moden bevorzugt wird.
Das Selektionselement 13 kann somit als Polarisationsund/oder Wellenlängenfilter wirken.
Der Kontaktbereich 12 und die Kontaktschicht 6 sind hier im wesentlichen kreisförmig ausgebildet und die Kontaktschicht kann durch geeigneten Überlapp mit einem zweiten Anschluss etwa wie in Figur 1 schematisch dargestellt, kontaktiert werden .
Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements anhand einer schematischen Schnittansieht .
Das in Figur 4 dargestellte Halbleiterlaser-Bauelement entspricht im Wesentlichen dem in Figur 1 gezeigten. Im Gegensatz zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements ist der Halbleiterkorper mit dem Bragg-Spiegel 4 und der Halbleiterschichtenfolge 2 mit der aktiven Zone 3 seitens des Bragg-Spiegels 4 über eine Verbindungsschicht 14 auf dem Träger 1 angeordnet und vorzugsweise stabil befestigt. Der Träger 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise vom Aufwachssubstrat des Halbleiterkörpers verschieden und umfasst beispielsweise eine Wärmesenke, welche etwa CuW, CuDia, Cu, SiC oder BN enthält.
Mit Vorteil erleichtert die Wärmesenke die Wärmeableitung von der aktiven Zone, sodass die Gefahr wärmebedingter Effizienzminderung des Bauelements, insbesondere bei hohen Leistungen, welche oftmals auch hohe Verlustwärmen nach sich ziehen, verringert wird.
Zur Herstellung eines derartigen Bauelements wird beispielsweise zunächst der Halbleiterkorper vorgefertigt, wobei der Bragg-Spiegel nach der Halbleiterschichtenfolge auf einem AufwachsSubstrat hergestellt wird. Seitens des Bragg-Spiegels wird der Halbleiterkorper hierauf mittels eutektischem Bonden auf dem Träger befestigt, wonach das AufwachsSubstrat, z.B. mittels nasschemischem Ätzen oder eines Laserabiationsverfahrens, abgelöst wird. Die Verbindungsschicht 14 kann beispielsweise eine mittels eutektischem Bonden ausgebildete Schicht sein. Der Halbleiterkorper gemäß Figur 4 kann demnach in umgekehrter Reihenfolge zu dem in Figur 1 gezeigten Halbleiterkorper hergestellt sein.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen DE 10 2004 026163.6 vom 28. Mai 2004 und DE 10 2004 040077.6, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit explizit durch Rückbezug in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird. Die 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 .

Claims

Patentansprüche
1. Oberflächenemittierendes Halbleiterlaser-Bauelement, insbesondere elektrisch gepumptes Halbleiterlaser-Bauelement, mit einer vertikalen Emissionsrichtung, das zur Erzeugung von Laserstrahlung mittels eines externen optischen Resonators (4,5) vorgesehen ist, umfassend einen Halbleiterkorper mit einer Halbleiterschichtenfolge (2) , die eine laterale Haupterstreckungsrichtung und eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Zone (3) aufweist, wobei innerhalb des Resonators eine strahlungsdurchlässige Kontaktschicht (6) angeordnet und mit dem Halbleiterkorper elektrisch leitend verbunden ist.
2. Halbleiterlaser-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) ein Oxid enthält.
3. Halbleiterlaser-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) ein TCO-Material enthält.
4. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) ZnO oder ITO enthält.
5. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) auf dem Halbleiterkorper angeordnet ist .
6. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) im direkten Strahlengang zwischen der aktiven Zone (3) und einem externen Spiegel (5) des Resonators (4,5) angeordnet ist.
7. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator durch einen Bragg-Spiegel (4) begrenzt ist.
8. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkorper auf seiner der Kontaktschicht (6) zugewandten Seite mindestens eine p-leitende Schicht aufweist.
9. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der in der aktiven Zone erzeugten Strahlung im unsichtbaren, vorzugsweise infraroten, Spektralbereich liegt.
10. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterlaser-Bauelement ein mittels der Kontaktschicht (6) elektrisch gepumptes Halbleiterlaser-Bauelement ist.
11. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkorper vorgefertigt ist und die Kontaktschicht (6) nachträglich auf den Halbleiterkorper aufgebracht ist.
12. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkorper auf einem Träger (1) angeordnet ist.
13. Halbleiterlaser-Bauelement nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) vom Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge verschieden ist.
14. Halbleiterlaser-Bauelement nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) als Wärmesenke ausgebildet ist.
15. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Halbleiterkorper und Kontaktschicht (6) oder auf der dem Halbleiterkorper abgewandten Seite der Kontaktschicht (6) eine optische Vergütung vorgesehen ist.
16. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Resonator ein Selektionselement (13) vorgesehen ist oder die Kontaktschicht (6) als Selektionselement (13) ausgeführt ist .
17. Halbleiterlaser-Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Selektionselement (13) zur Wellenlängenselektion und/oder Polarisationsselektion der Strahlung im Resonator ausgebildet ist.
18. Halbleiterlaser-Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Selektionselement (13) eine Gitterstruktur (130) aufweist .
19. Halbleiterlaser-Bauelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur (130) zumindest teilweise in der Kontaktschicht (6) ausgebildet ist.
20. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nichtlineares optisches Element, vorzugsweise zur
Frequenzkonversion, im Resonator angeordnet ist.
21. Halbleiterlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge der in der aktiven Zone erzeugten Strahlung im Spektralbereich zwischen 200 nm und 2000 nm liegt.
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