CN101421890B - 光电的半导体元件 - Google Patents

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Abstract

说明了一种光电的半导体元件，包括半导体本体(1)，该半导体本体具有表面发射性的包括垂直发射极层(3)的垂直发射极区域(2)、至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层(3)的抽运源(4)和辐射穿透表面(26)，在所述垂直发射极层中产生的电磁辐射(31)通过该辐射穿透表面(26)离开所述半导体本体(1)，其中，所述抽运源(4)和垂直发射极层(3)沿垂直方向相互隔开。

Description

光电的半导体元件
技术领域
本发明涉及一种光电的半导体元件。
本专利申请要求德国专利申请102006017572.7和德国专利申请102006024220.3的优先权，这两份专利申请的公开内容在此通过引用被吸收在本专利申请中。
背景技术
公开文献WO2005/048424A1说明了一种光电的半导体元件。
发明内容
本发明的任务是，说明一种光电的半导体元件，其中在运行中产生的热量可以特别有效地散发到周围环境中。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体元件包括一个半导体本体。优选该半导体本体外延沉积到生长基质上。
按照所述半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体本体具有垂直发射极区域。所述垂直发射极区域包括垂直发射极层。所述垂直发射极层则构成所述垂直发射极区域的活性的区域。所述垂直发射极层设置用于产生电磁辐射。这意味着，所述垂直发射极层在所述半导体元件运行时产生电磁辐射场。所述垂直发射极层为此优选包括量子势阱结构(Quantentopfstruktur)，尤其优选多重量子势阱结构。量子势阱结构这个名称在此包括每种这样的结构，在这样的结构中载流子可以通过包封(“confinement”)来得到其能量状态的量子化。尤其量子势阱结构这个名称不包含任何关于量子化的尺度的说明。由此，该名称此外包括量子槽(Quantentr
Figure G2007800132403D0001142207QIETU
ge)、量子线(Quantendrhte)和量子点(Quantenpunkte)以及这些结构的每种组合。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体本体包括至少一个抽运源。所述抽运源设置用于光学抽运所述垂直发射极层。优选所述抽运源整体地集成在所述半导体本体中。整体地集成意味着，所述抽运源连同所述垂直发射极区域在一个共同的生长过程中外延生长。这意味着，所述半导体本体包括所述外延生长的垂直发射极区域以及外延生长的抽运源。
按照至少一种实施方式，所述半导体本体具有辐射穿透表面。在所述垂直发射极区域中产生的电磁辐射的至少一部分通过所述辐射穿透表面离开所述半导体本体。所述辐射穿透表面比如由所述半导体本体的优选横向于半导体本体的生长方向延伸的主表面的至少一部分构成。比如所述生长方向垂直于所述主表面。
按照所述半导体元件的至少一种实施方式，所述抽运源和所述垂直发射极层彼此垂直地隔开。换句话说，也就是所述抽运源垂直地布置在所述垂直发射极层的前面和/或后面。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体元件包括半导体本体。该半导体本体则具有表面发射性的垂直发射极区域，而该垂直发射极区域则包括垂直发射极层。此外，所述半导体本体具有至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层的抽运源。此外，所述半导体本体具有辐射穿透表面，在所述垂直发射极层中产生的电磁辐射通过该辐射穿透表面离开所述半导体本体，其中所述抽运源和垂直发射极层沿垂直方向相互隔开。
按照所述半导体元件的至少一种实施方式，所述抽运源布置在所述垂直发射极层和辐射穿透表面之间。换句话说，也就是所述抽运源垂直地布置在所述垂直发射极层的前面或者后面，其中所述半导体本体的辐射穿透表面布置在所述抽运源的背向垂直发射极层的一面上。比如所述抽运源沿所述半导体本体的生长方向跟随在所述辐射穿透表面的后面。而后所述垂直发射极层沿所述半导体本体的生长方向跟随在所述抽运源的后面。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体元件包括一个半导体本体。该半导体本体具有表面发射性的垂直发射极区域，该垂直发射极区域则包括垂直发射极层。此外，所述半导体本体具有至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层的抽运源。此外，所述半导体本体具有辐射穿透表面，在所述垂直发射极层中产生的电磁辐射通过该辐射穿透表面离开所述半导体本体，其中所述抽运源布置在所述垂直发射极层和所述半导体本体的辐射穿透表面之间。
按照所述半导体元件的至少一种实施方式，所述垂直发射极层布置在所述抽运源和辐射穿透表面之间。换句话说，也就是所述垂直发射极层垂直地布置在所述抽运源的前面或者后面，其中所述半导体本体的辐射穿透表面布置在所述垂直发射极层的背向抽运源的一面上。比如所述垂直发射极层沿所述半导体本体的生长方向跟随在所述抽运源的后面。而后所述辐射穿透表面沿所述半导体本体的生长方向跟随在所述垂直发射极层的后面。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体元件包括半导体本体。该半导体本体具有表面发射性的垂直发射极区域，该垂直发射极区域则包括垂直发射极层。此外，所述半导体本体具有至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层的抽运源。此外，所述半导体本体具有辐射穿透表面，在所述垂直发射极层中产生的电磁辐射通过该辐射穿透表面离开所述半导体本体，其中所述垂直发射极层布置在所述抽运源和所述半导体本体的辐射穿透表面之间。
此外，这里所说明的光电的半导体元件以以下认识为基础：一方面通过所说明的将垂直发射极层、抽运源和辐射穿透表面布置在半导体本体中的方式可以将所述垂直发射极层和抽运源构造为垂直地相互隔开的-比如外延地先后生长的-层序列(Schichtfolge)。一种这样的结构在所述半导体本体的区域的材料及尺寸选择方面实现了大量的方案。由此比如可以在宽的限度内调节用于光学抽运所述垂直发射极层的抽运辐射的波长和/或由所述垂直发射极层垂直发射的辐射的波长。
此外，所说明的结构实现了这一点，即所述半导体本体以垂直发射极区域所在的一面热连接到导热体比如支座上。这实现了特别有效地排出在所述半导体元件运行时在所述垂直发射极区域中产生的热量。由此比如实现了所述光电的半导体元件在时间上特别稳定的CW(连续波)-激光运行模式。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述垂直发射极层布置在所述半导体本体的台型结构中。也就是说，所述半导体本体从一面被局部剥蚀。由此产生一种凸起，即台型结构，所述垂直发射极层处于该凸起中。比如半导体本体中的台型结构借助于蚀刻方法来产生。按照至少一种实施方式，给所述台型结构的周围环境至少局部地涂上具有特别好的导热性能的材料。也就是说，在所述台型结构的周围环境中并且必要时也在所述台型结构的侧面及覆盖面上将材料施加到所述半导体本体上。
优选所述材料包括至少一种金属或者所述材料由至少一种金属制成。在此优选使用下列金属中的至少一种：铜、金、银。
优选所述材料如此在所述台型结构的周围环境中施加到所述半导体本体上，即给所述台型结构涂上所述材料。也就是说，比如所述材料如此施加到所述半导体本体的背向所述辐射穿透表面的表面上，使得所述台型结构以及所述台型结构的周围环境被所述材料所覆盖。优选而后所述半导体本体的这一面通过所述材料而平面化。也就是说，比如以如此厚度施加所述材料，使得其具有和所述台型结构相同的高度或者所述台型结构被所述材料所超过。在此所述台型结构尤其也可以完全被所述材料所包围。
优选所述半导体本体以背向所述辐射穿透表面的一面固定在导热体比如支座上。
按照至少一种实施方式，所述半导体本体的背向所述辐射穿透表面的一面具有所述带有垂直发射极层的台型结构以及所述台型结构的周围环境，在该台型结构的周围环境中所述半导体本体被局部剥蚀，从而在那里比如露出所述抽运源的接触层。
也就是说，而后在导热体和半导体本体之间的区域至少局部地被所述材料所填充。优选-除所述台型结构以外-在半导体本体和导热体之间的整个区域被所述材料所填充。
此外，这里所说明的光电的半导体元件在此利用了这样的构思，即通过所述抽运源的露出并且通过借助于所述材料将所述抽运源及所述包含垂直发射极层的台型结构热耦合到所述导热体上这种方式能够特别有效地对所述垂直发射极层和抽运源进行冷却。由此，所述台型结构以及所述将该台型结构包围的材料有助于在所述半导体元件运行时进一步改进散热。由此比如能够实现所述半导体元件的在时间上特别恒定的CW-激光运行模式。优选所述材料除了其良好的导热性能之外也具有特别好的导电性能，从而借助于所述材料也能够电接触所述抽运源。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述材料以电镀方式沉积在所述台型结构的周围环境中。在此，被沉积的层比如是Ag-、Au-或者Ag/Au-电镀材料。
除此以外，所述材料也可以构造为结构化的散热片。然后，在该散热片中可以比如将冷却片或者其它适合于扩大所述散热片的表面的结构结构化。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，设置所述半导体本体的限定所述台型结构的侧面至少局部地用于将抽运辐射(Pumpstrahlung)导向所述垂直发射极层。优选所述台型结构的侧面适合于将抽运辐射朝所述垂直发射极层的方向反射。这意味着，来自所述抽运源的横越所述垂直发射极层而没有在那里被吸收的抽运辐射在所述台型结构的侧面-也就是在台型结构侧面-上被反射。被反射的抽运辐射又进入所述垂直发射极层中。由此提高抽运辐射在所述垂直发射极层中被吸收的可能性。所述抽运辐射因此可以有针对性地在多次穿行中得到利用。
优选所述台型结构的侧面至少局部地-尤其优选完全地-涂上具有至少80％的反射性的材料。所述材料优选对所述抽运辐射的波长范围来说具有高反射性。比如所述材料可以是金属或者是具有透明的钝化层以及反射性的金属层的层序列。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，如此选择所述台型结构的侧面的形状，使得所述台型结构侧面有针对性地将抽运辐射反射到所述垂直发射极层中。比如所述台型结构的侧面可以至少局部地按照下列光学的基础元件之一的类型来构造：截锥镜组、棱锥台镜组、组合的抛物线的集中器(CPC-compound parabolicconcentrator)、组合的椭圆形的集中器(CEC-compound ellipticconcentrator)、组合的双曲线的集中器(CHC-compound hyperbolicconcentrator)。这意味着，所述台型结构至少局部地按照截锥、棱锥台、抛物线、椭圆形、双曲线或类似样式来成形构造。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述垂直发射器区域包括布拉格(Bragg)-反射镜结构。优选所述布拉格-反射镜结构布置在所述垂直发射极层的背向所述抽运源的一侧上。特别优选所述布拉格-反射镜结构不含掺杂材料。
此外，这里所说明的光电的半导体元件在此利用这样的认识，即通过未掺杂的布拉格-反射镜结构来相对于掺杂的布拉格-反射镜结构明显降低比如来自所述垂直发射极层的自由载流子的吸收。由此，与掺杂的布拉格-反射镜结构相比，可以将在所述垂直发射极层中产生辐射的效率提高至少因数2。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述元件包括至少一个另外的反射镜，该反射镜与所述布拉格-反射镜结构一起形成用于在所述垂直发射极层中产生的电磁辐射的激光谐振腔。比如所述反射镜可以是没有整体地与所述半导体本体集成在一起的外部的反射镜。也就是说，所述反射镜而后比如没有外延地与所述半导体本体的其余区域进行生长。但是，所述另外的反射镜也可以是整体地集成在所述半导体本体中的布拉格-反射镜结构。所述另外的布拉格-反射镜结构而后可以布置在所述抽运源的背向所述辐射穿透表面或者朝向所述辐射穿透表面的一侧上。
按照所述光电的元件的至少一种实施方式，在激光谐振腔中布置了光学元件，该光学元件与所述半导体本体处于热接触之中。也就是说，所述光学元件至少承担双重功能。一方面，该光学元件拥有特定的光学性能并且由此设置用于对在谐振腔中环绕的电磁辐射进行光学处理。另一方面，该光学元件用作与所述半导体本体处于热接触之中的散热器。通过这种方式，该光学元件有助于进一步改进所述半导体元件的热量管理。比如所述光学元件固定到所述半导体本体的辐射穿透表面上。
按照至少一种实施方式，所述光学元件具有下列光学性能中的至少一项光学性能：选频、频率倍增、反射、光学折射。比如所述光学元件可以是下列光学元件中的一种光学元件：校准器、双折射的滤波器、光学上非线性的晶体、反射镜、透镜。
按照至少一种实施方式，所述光学元件包含以下材料中的一种材料或由其制成：金刚石、碳化硅(SiC)。所述光学元件在此沿从所述半导体本体中射出的电磁辐射的方向优选具有处于20微米到70微米之间的、优选处于30微米到60微米之间的厚度。在此所述光学元件比如构成金刚石-校准器或碳化硅-校准器。也就是说，所述光学元件可以相应地构造成反射性的。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，在所述半导体元件的谐振腔中布置了在光学上非线性的晶体。在此所述在光学上非线性的晶体可以是与所述半导体本体处于热接触之中的光学元件。但是所述在光学上非线性的晶体也可以是与所述半导体本体隔开地布置在所述激光谐振腔中的附加的光学元件。优选所述在光学上非线性的晶体设置用于在谐振腔中环绕的电磁辐射的至少一部分的频率变换。
按照所述激光装置的至少一种实施方式，所述在光学上非线性的晶体包括以下晶体中的至少一种：三硼酸锂比如LiB3O5(LBO)、硼酸铋比如BiB3O6(BiBO)、磷酸氧钛钾KTiOPO4(KTP)、掺杂氧化镁的匹配适应的铌酸锂比如MgO：LiNbO3(MgO：LN)、掺杂氧化镁的化学当量的铌酸锂比如MgO：s-LiNbO3(MgO：SLN)、掺杂氧化镁的化学当量的钽酸锂比如MgO：LiTaO3(MgO：SLT)、化学当量的LiNbO3(SLN)、化学当量的LiTaO3(SLT)、RTP(RbTiOPO4)、KTA(KTiOAsO4)、RTA(RbTiOAsO4)、CTA(CsTiOAsO4)。
优选所述在光学上非线性的晶体适合于从该晶体中穿过的辐射的双倍增频。
不过，除了这里所列出的用于频率变换的晶体之外，作为替代方案或者补充方案也可以在所述激光器的谐振腔中布置其它适合于频率变换的晶体或者材料。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述激光谐振腔具有最高10毫米的长度。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述激光谐振腔具有最高5毫米的长度。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述激光谐振腔具有最高0.25毫米的长度。
这样短的谐振腔长度允许特别高的大于10MHz的调制频率，而不需要处于谐振腔外部的调制装置。这样高的调制频率证实特别有利，如果所述光电的半导体元件应用在光学的投影设备比如激光投影仪中，在所述光学投影设备中借助于所谓的“flying spot(飞点)”技术来产生投影图像。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述抽运源具有被蚀刻的激光面(Laserfacette)。所述被蚀刻的激光面而后形成用于所述抽运源的激光谐振腔的反射镜。优选所述激光面构造为后向反射器。这样的被蚀刻的激光面比如在公开文献WO2005/048423中得到说明，该公开文献的在蚀刻的激光面方面的公开内容通过引用被吸收到本申请中。
附图说明
下面借助于实施例和所属的附图对这里所说明的半导体元件进行详细解释。
在实施例和附图中，相同的或者起相同作用的组成部分分别用相同的附图标记来表示。所示出的元件不应视为按比例的，更确切地说，为更好的理解起见，各个元件可能夸大地示出。其中：
图1是按第一实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖面图，
图2是按第二实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖面图，
图3是按第三实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖面图，
图4是按第四实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖面图，
图5是按第五实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖面图，
图6是按第六实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖面图，
图7是按第七实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖面图，
图8是按第八实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖面图，
图9A、9B、9C、9D、9E、9F是按不同的实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意俯视图，
图10A、10B、10C、10D是按不同的实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意俯视图。
具体实施方式
图1示出了这里所说明的光电的半导体元件的第一实施例的示意剖面图。
所述半导体元件包括半导体本体1。该半导体本体1则包括生长基质8。所述生长基质8比如是n-掺杂的GaAs(砷化镓)-基质。该生长基质8优选减薄。也就是说，所述生长基质8的厚度优选在结束外延生长之后减小。在此也可以将所述生长基质8完全去除。
优选所述生长基质8的厚度处于100到200微米之间。
在所述半导体元件的结合图1所说明的实施例中，在所述生长基质8中加入开口25。所述开口25比如可以通过蚀刻来产生。在所述开口25中，露出所述半导体本体1的辐射穿透表面26。在所述开口25的区域中优选完全去除所述生长基质8。
抽运源4以及垂直发射极区域2跟随在所述生长基质8的后面。抽运源4和垂直发射极区域2先后外延沉积到所述生长基质8上并且由此共同整体地集成到所述半导体本体1中。
所述垂直发射极区域2包括第一反射镜7。所述第一反射镜7优选是一种布拉格-反射镜结构。作为替代方案，所述第一反射镜7也可以构造为金属反射镜或者电介质的反射镜或者构造为所列出的三种反射镜类型中的至少两种的组合。特别优选所述第一反射镜7是一种不含掺杂材料的布拉格-反射镜结构。相对于掺杂的反射镜，在不含掺杂材料的布拉格-反射镜结构中，有利地减少了来自所述垂直发射极区域2的垂直发射极层3的自由载流子的吸收。
所述第一反射镜7优选形成用于在所述垂直发射极层3中产生的电磁辐射的谐振腔反射镜。
在所述半导体元件运行时，从所述垂直发射极层3中发射出电磁辐射31，比如红外的、可见的或紫外的辐射。所述垂直发射极层3优选包含III-V-化合物半导体材料，尤其是InxAlyGa1-x-yN、InxAlyGa1-x-yP或者InxAlyGa1-x-yAs，其中0≦x≦1，0≦y≦1并且x+y≦1。
此外，所述垂直发射极层3可以包含II-VI化合物半导体材料比如ZnSe或ZnO。
所述垂直发射极层3比如构造为单一-异质结构、双重-异质结构、简单-量子势阱结构(Quantentopfstruktur)或者特别优选构造为多重-量子势阱结构。
优选所述垂直发射极层3的量子势阱结构适合于吸收在所述抽运源4中产生的电磁辐射。也就是说，抽运辐射的吸收优选不是在布置在所述垂直发射极区域2中的额外的阻挡层中进行，而是所述抽运辐射在所述垂直发射极层3的量子势阱结构中被吸收并且在那里激发产生电磁辐射31。
朝所述半导体本体1的辐射穿透表面26的方向，在所述垂直发射极层3的后面在所述垂直发射极区域2中跟随着垂直的波导层14。优选为具有最高30微米的层厚度的波导层14选择比较厚的厚度。特别优选所述波导层14的层厚度处于半微米和5微米之间。在该实施例中，所述波导层14的层厚度大约为1.5微米。优选所述波导层14包含铝-镓-砷化物，其中铝浓度大约为6％。所述波导层14设置用于在所述抽运源4中产生的抽运辐射的扩展。也就是说，所述抽运辐射优选通过所述波导层14的折射率分布导送到所述垂直发射极层3中，在那里所述抽运辐射至少部分地被吸收并且用于产生辐射。
朝所述半导体本体1的辐射穿透表面26的方向，在所述波导层14后面跟随着至少一个蚀刻停止层15。所述蚀刻停止层15一方面形成选择性的蚀刻停止层。借助于所述蚀刻停止层15，可以使高掺杂的接触层18暴露在抽运源4下，并且通过这种方式建立台型结构6，该台型结构6比如包括所述第一反射镜7、垂直发射极层3以及波导层14。另一方面所述蚀刻停止层15用于改进抽运辐射从抽运源到所述垂直发射极层3中的输入。
朝所述半导体本体1的辐射穿透表面26的方向，在所述蚀刻停止层15的后面跟随着高掺杂的接触层18。高掺杂的接触层18实现了以微小的接触和串联电阻进行类-欧姆的接触，用于接触所述抽运源4。优选所述接触层18具有尽可能小的层厚度。所述高掺杂的接触层18比如掺杂有p-掺杂材料并且具有至少1019cm-3的掺杂材料浓度。优选所述接触层18布置在所述在垂直发射极层3中产生的电磁幅射31的光学的驻波场(Stehwellenfeld)的节点中。由此有利地减少了可能的损耗机制(Verlustmechanismen)-比如在高掺杂的接触层18中自由载流子的吸收。
为接触所述抽运源4，优选借助于透明的接触层16来接触所述高掺杂的接触层18，所述接触层16比如可以包含ZnO、ITO或者其它的TCO-材料(TCO-transparent conductive oxide(透明导电氧化物))或者由这些材料中的一种材料制成。此外，从所述垂直发射极区域2到抽运源4的过渡区域可以包括其它的层。
比如在所述高掺杂的接触层18和透明的接触层16之间可以布置多个具有高的铝浓度的层。比如这些层是局部氧化的AlxGa1-xAs层。高铝含量的层优选在侧面通过蚀刻结构化并且部分地局部氧化。在这些局部氧化的AlxOy区域中，可以实现所述抽运辐射的特别好的波导效果，其中x比如大于等于0.98。在局部区域中所述高铝含量的层的氧化在那里导致较大的大约1.4的折射率变化，并且能够在局部沿垂直方向实现抽运光的强烈的光学波导。在所述垂直发射极区域2中，所述高铝含量的层没有氧化。在这种情况下大约0.13的折射率差异是比较小的，从而所述抽运波可以在所述垂直发射极层3的区域中传播并且在那里被吸收到所述量子势阱结构中。
与电绝缘的AlxOy-区域相反，在未氧化的区域中借助于蚀刻坑与所述抽运源4建立导电接触。可以借助于透明的接触层16或者比如包含AuZn或者由AuZn制成的接触层来进行接触。
作为替代方案，也可以省去所述高铝含量的层。在这种情况下，将所述透明的接触层16尽可能大面积地设置到所述高掺杂的接触层18上。所述接触层16包含透明的导电的氧化物(TCO)比如ZnO或ITO或者优选由其制成。优选所述接触层16具有比所述抽运源4的半导体材料低的处于大约1.7和2.2之间的折射率。比如ZnO具有大约1.85的折射率并且ITO具有大约2.0的折射率。
一种这样低的折射率以及由此引起的与邻接的半导体层的高的折射率差异有利地实现了在所述抽运源4中抽运辐射的特别好的波导。为改进在所述抽运源4和透明的接触层16之间的电接触，可以在所述高掺杂的接触层18和透明的接触层16之间布置薄的金属层，该金属层优选为几个单层厚，优选大约一个单层厚。该金属层包含下列金属中的一种金属或者优选由其制成：铬、铂、金、钛、银。
作为所述光电的半导体元件的结合图1所说明的实施方式的替代方案，也可以放弃所述透明的接触层16以及高掺杂的接触层18。在这种情况下，在选择性的双步骤外延中将掺杂的具有较小折射率的波导层设置到所述抽运源4上。该层而后比如由具有大约45％的铝份额的铝-镓-砷化物制成并且具有1＊1017到20＊1017cm-3的掺杂原子浓度。所述波导层的层厚度优选大约为600纳米。然后在这个具有较小的折射率的层上设置高掺杂的覆盖层，所述覆盖层比如由具有1＊1020cm-3的掺杂材料浓度的砷化镓制成。在所述覆盖层上可以设置形成欧姆接触的金属层。
朝所述半导体本体1的辐射穿透表面26的方向，在所述高掺杂的接触层18的后面跟随着所述抽运源4。所述抽运源4包括防护层19以及抽运层5。所述抽运源4优选形成边缘发射的激光器。为此，所述半导体本体1的侧面至少在所述抽运源4的区域中设有对抽运辐射来说构造为高反射结构的-比如电介质的-涂层。
所述抽运层5优选包括pn-结，该pn-结设置用于借助于电泵产生辐射。所述抽运源4的防护层19比如由掺杂的具有大约20％的铝浓度的铝-镓-砷化物制成并且具有大约两微米的厚度。
朝所述半导体本体1的辐射穿透表面26的方向在所述抽运源4的后面跟随着蚀刻停止层20。所述蚀刻停止层20实现了以指定方式对开口25进行蚀刻，通过该开口25，在所述垂直发射极层3中产生的电磁辐射31可以尤其没有损耗地离开所述半导体本体1。此外，所述蚀刻停止层20优选也形成波导层，该波导层对所述抽运源4的抽运辐射来说具有小的折射率。此外，所述蚀刻停止层20优选具有大的能带间隙。通过这种方式，通过所述蚀刻停止层20改进了抽运源4中的载流子封入。比如所述蚀刻停止层20由大约460纳米厚的镓-铟-磷化物-层构成。
在所述光电的半导体元件的结合图1所说明的实施例中，在所述蚀刻停止层20的后面跟随着波导层21。优选所述波导层21是n-掺杂的。该波导层21比如具有1017cm-3的掺杂材料浓度。该波导层21比如由大约1000纳米厚的具有45％的铝份额的铝-镓-砷化物-层构成。
在所述波导层21的后面布置了生长基质8。优选所述生长基质8被减薄，并且具有处于100和200微米之间的、优选大约150微米的厚度。所述生长基质比如由n-掺杂的具有大约2＊1018cm-3的掺杂材料浓度的砷化镓构成。
在所述生长基质8上设置了接触金属喷涂层22，该接触金属喷涂层22比如可以包含金或者由金制成。所述接触金属喷涂层22具有大约200纳米的层厚度。
所述半导体本体1以其背向所述辐射穿透表面26的一面设置在散热器(W
Figure 2007800132403100002G2007800132403D0001142222QIETU
rmespreizer)11上。比如可以借助于比如包含锡的焊接层10将所述半导体本体1设置到所述散热器11上。所述焊接层10的厚度优选大约为两微米。所述散热器11比如是包含导热性能良好的材料如铜或陶瓷材料的支座。
在透明的接触层16、台型结构6和散热器11之间的区域优选被填上材料9。所述材料9是导热及导电性能特别好的材料。优选所述材料9是金属。
所述材料9在所述台型结构的环境中设置到所述半导体本体上，也就是说设置到高掺杂的接触层18及所述台型结构的限定该台型结构的侧面上。
优选所述材料9是银-或金-电镀层。在此，银和/或金由于其良好的导热及导电性能适合使用。优选借助于低温电镀过程将所述材料9设置到所述半导体本体1上。
在电镀沉积中较低的大约处于20和100摄氏度之间的过程温度特别有利，因为所述用作半导体本体1的基础材料的半导体材料以及材料9具有不同的热膨胀系数。这比如在基于砷化物-化合物半导体比如GaAs(砷化镓)的半导体层序列中就是这样的情况，所述半导体层序列具有大约6＊10-6k-1的热膨胀系数，在此将金层以电镀方式设置到所述半导体层序列上，所述金层则具有大约14＊10-6k-1的热膨胀系数。
在所述光电的半导体元件的结合图1所说明的实施例中，所述散热器11以其背向所述半导体本体1的一面安装到支座12上。所述散热器11在此借助于焊接层13与所述支座12进行机械及电连接。所述焊接层13比如由锡制成，并且具有大约两微米的厚度。所述支座12比如可以是连接支座比如金属芯印制电路板，借助于所述连接支座能够电接触所述抽运源4。
在所述半导体本体1的辐射穿透表面26的后面布置了光学元件30。所述光学元件30比如是选频的光学元件，该元件实现了所述半导体元件的窄带的单模运行模式。所述选频的元件30比如是校准器和/或双折射的滤波器。
此外，所述半导体元件包括折叠镜33，该折叠镜33与谐振腔反射镜34一起形成外部的空穴，在该空穴中布置了在光学上非线性的晶体32。频率变换的晶体32优选适合于从该晶体中穿过的电磁辐射的双倍增频。所述折叠镜33对在所述垂直发射极层3中产生的基础波长的电磁辐射31来说构造为高反射的。至少所述被变换频率的辐射的大部分被所述折叠镜33发送。
除此以外，可以在所述激光谐振腔中布置其它的光学元件，比如波型耦合的光学元件、相位补偿的光学元件、光学成像的元件如透镜尤其是菲涅耳透镜和/或可调制的部件。这些光学元件也可以部分地直接设置在所述半导体本体(1)上或者与所述半导体本体(1)集成为整体。
图2示出了这里所说明的光电的半导体元件的第二实施例的示意剖面图。与结合图1所说明的实施例所不同的是，在图2的实施例中省去了折叠镜。所述频率变换的晶体32在其朝向辐射穿透表面26的辐射穿透表面上具有涂层41，该涂层对变换频率的辐射来说是高反射性的。在所述涂层41上设置了另外的涂层40，所述涂层40对所述基础波长的辐射31来说构造为消除反射的。
在所述在光学上非线性的晶体32的背向所述半导体本体1的辐射穿透表面26的辐射穿透表面上施加了涂层42，该涂层42对基础波长的辐射来说构造为消除反射的。所述谐振腔反射镜34对基础波长的辐射来说构造成反射性的，该谐振腔反射镜对变换频率的辐射来说是发送性的。
结合图3对这里所说明的光电的半导体元件的第三实施例进行说明。与结合图2所说明的实施例所不同的是，所述在光学上非线性的晶体32在这里直接安装在所述半导体本体1上。通过这种方式实现特别紧凑的激光模块，在该激光模块中可以使用小于等于10毫米的谐振腔长度。这样短的谐振腔长度允许特别高的大于10MHz的调制频率，而不需要处于谐振腔外部的调制装置。
图4示出了这里所说明的光电的半导体元件的第四实施例的示意剖面图。为了能够相对于结合图3所说明的实施例实现进一步的微型化，外部的谐振腔反射镜34在该实施例中被频率变换的晶体32的拱起的辐射穿透表面所取代。所述在光学上非线性的晶体32的背向所述半导体本体1的辐射穿透表面为此设有涂层43，该涂层43对变换频率的辐射来说是消除反射的，并且对基础波长的辐射来说是高反射性的。
图5示出了这里所说明的光电的半导体元件的第五实施例的示意剖面图。与结合图1到4所说明的实施例不同的是，在该实施例中所述台型结构6构造为截锥状的。也就是说，限定台型结构的侧面27是倾斜的并且与比如所述垂直发射极层3的表面法线(Oberfl
Figure 2007800132403100002G2007800132403D0001142222QIETU
chennormale)围起一个大于0度的角度。所述侧面27在此对在所述抽运源4中产生的抽运辐射来说构造为反射性的。为此，给所述台型结构6的侧面27涂上钝化层23，该钝化层23比如可以包含氮化硅或者由氮化硅制成。在所述钝化层23上设置了对抽运辐射来说反射性的层24。所述反射性的层24对所述抽运辐射来说优选具有大于等于80％的反射性。比如所述反射性的层24包含AuZn或者由AuZn制成。被如此涂覆的台型结构6完全被材料9所包围。这允许将所述半导体本体1与散热器11特别好地热耦合。
在所述半导体本体1的辐射穿透表面26上设置附加地用作散热器的光学元件30。该光学元件30将所述辐射穿透表面的热阻减少了大约每瓦特八开尔文。此外，该光学元件30比如用作用于在所述垂直发射极层3中产生的电磁辐射的校准器，并且由此实现了在所述激光谐振腔中环绕的辐射的光谱收缩。总之，所述光学元件30由此实现了尽可能不依赖于温度地固定激光波长。优选所述光学元件30借助于毛细连结(Capillary Bonding)或其它的连接技术固定在所述辐射穿透表面26上。
所述光学元件30优选由碳化硅或金刚石制成。
除此以外，将所述光学元件布置在辐射穿透表面26上允许获得特别小的谐振腔长度L。尤其能够实现小于10毫米的谐振腔长度。
图6示出了这里所说明的光电的半导体元件的第六实施例的示意剖面图。与所述元件的结合图5所说明的实施例不同的是，所述光学元件在这里具有弯曲的辐射穿透表面，该辐射穿透表面设有对基础波长的电磁辐射来说反射性的涂层42。通过这种方式，比如实现了尽可能紧凑的可以适合于产生红外辐射的激光器。
结合图7对这里所说明的光电的半导体元件的第七实施例进行说明。在该实施例中，在激光谐振腔中在所述光学元件30的后面布置了在光学上非线性的晶体32。所述光学元件30在此由于凸出地从所述半导体本体1的辐射穿透表面26上向外弯曲的辐射穿透表面而用作微型透镜，该微型透镜用于将基础波长的电磁辐射聚焦到所述在光学上非线性的晶体32中。由此，尤其可以在频率转换时达到特别高的功率密度。这实现了在高调制频率时有效的双倍增频。
结图8对这里所说明的光电的半导体元件的第八实施例进行说明。与比如结合图5所说明的实施例不同的是，在该实施例中，所述垂直发射极层2布置在所述抽运源4和辐射穿透表面26之间。也就是说，所述垂直发射极层2沿在所述垂直发射极层3中产生的电磁辐射31的辐射方向跟随在所述抽运源4的后面。优选所述布拉格-反射镜结构7在该实施例中被掺杂，用于能够接触所述抽运源4。在结合图1到7所说明的实施例中，也可以将所述垂直发射极区域2布置在所述抽运源4和辐射穿透表面26之间。
总之，这里所说明的光电的半导体元件由于较短的谐振腔长度L特别适合于激光投影仪，在所述激光投影仪中借助于所述飞点技术进行成像。
图9A到9F示出了这里所说明的光电的半导体元件的半导体本体1的不同实施例的示意俯视图。
所述抽运源具有构造为高反射性的反射镜的激光面40。比如所述反射镜可以通过刻刮、计算以及涂上高反射性的涂层来产生。此外，所述激光面40可以借助于蚀刻来产生。然后在所述激光面上的反射可以借助于全反射和/或根据反射性的涂层来进行。
图9A示出了一种具有两个彼此对置的线性抽运源4的实施方式，所述抽运源4在侧面与这里构造为六边形的中央的垂直发射极区域2相邻。
图9B示出了一种实施例，在该实施例中在正方形的垂直发射极区域2上实现尽可能径向对称的辐射分布。在此在所述垂直发射极区域2的外部区域中，所述垂直发射极层3比如通过离子束轰击受损，使得其在该区域中与在内部的尽可能构造为圆形的未受损的区域中相比以更小的效率吸收所述抽运源4的抽运光。
图9C、9D及9E示出了具有不同数目的抽运源4的实施方式。
在结合图9D所说明的实施方式中，所述激光面40构造为在俯视图中为箭头形状的后向反射器(Retroreflektor)。
图9F示出了一种具有线性的抽运源4的实施方式，所述抽运源4不同于抽运源4的比如结合图9C到9E所说明的星形布置特别节省位置空间地进行布置。
在结合图10A到10D所说明的实施例中，所述抽运源4构造为环形激光器。
在图10A、10B和10C中示出了一些装置，在这些装置中所述垂直发射极区域2分别设计成正方形的。所述抽运源4在此构造为环形激光器。
图10B示意示出了一种实施例，在该实施例中存在环形激光器4，该环形激光器4卷曲成一个“8字”，在该“8字”的交点中又布置了所述垂直发射极区域2。
在结合图10C所说明的实施例中，设置两个构造为环形激光器的抽运辐射源4，这两个抽运辐射源4彼此如此搭接，使得其在所述垂直发射极区域2中相互交叉。
所说明的基于波导的环形激光器结构具有这样的优点，即可以省去谐振腔-端面反射镜并且消除在这些谐振腔-端面反射镜上的可能的损失。
图10D示出了一种装置，在该装置中设置了多个处于一行中的六边形的垂直发射极区域2，所述垂直发射极区域2由不同的线性的或者弯曲的抽运源4来抽运。
本发明不局限于借助于所述实施例所作的说明。更确切地说，本发明包括每种新特征以及每种特征组合，这尤其包含在权利要求中所述特征的每种组合，即使这种特征或者说这种组合本身没有明确地在权利要求或者实施例中得到说明。

Claims (19)

1.光电的半导体元件，包括半导体本体(1)，该半导体本体具有
-表面发射性的包括垂直发射极层(3)的垂直发射极区域(2)，
-至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层(3)的抽运源(4)，和
-辐射穿透表面(26)，在所述垂直发射极层中产生的电磁辐射(31)通过该辐射穿透表面(26)离开所述半导体本体(1)，其中
-所述抽运源(4)和所述垂直发射极层(3)沿垂直方向相互隔开，
-所述垂直发射极层(3)布置在所述半导体本体(1)的台型结构(6)中，
-在所述台型结构(6)的周围环境中至少局部地将包含有金属的材料(9)施加到半导体本体(1)上，
-所述包含有金属的材料(9)填充所述台型结构(6)的周围环境，其中以如此厚度施加所述材料，使得其具有和所述台型结构(6)相同的高度或者所述台型结构被所述材料所超过，
-所述抽运源(4)布置在所述垂直发射极层(3)和所述辐射穿透表面(26)之间，并且
-所述抽运源(4)和所述垂直发射极区域(2)彼此整体地集成。
2.按权利要求1所述的光电的半导体元件，
其中，所述材料(9)以电镀方式在所述台型结构(6)的周围环境中沉积。
3.按权利要求1所述的光电的半导体元件，
其中，限定所述台型结构(6)的侧面(27)构造为对抽运辐射来说反射性的。
4.按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，
其中，给所述台型结构(6)的侧面(27)至少局部地涂上材料(23、24)，所述材料(23、24)对抽运辐射来说具有至少80％的反射性。
5.按权利要求3所述的光电的半导体元件，
其中，所述台型结构(6)的侧面(27)至少局部地按照下列光学的基础元件中的一种的类型来构造：截锥镜组、棱锥台镜组、组合的抛物线的集中器、组合的椭圆形的集中器、组合的双曲线的集中器。
6.按权利要求3所述的光电的半导体元件，
其中，所述台型结构(6)的侧面(27)至少局部地设置用于将抽运辐射导向所述垂直发射极层(3)。
7.按权利要求1所述的光电的半导体元件，
其中，所述垂直发射极区域(3)包括不含掺杂材料的布拉格-反射镜结构(7)。
8.按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，
其中，所述布拉格-反射镜结构(7)布置在所述垂直发射极层(3)的背向所述抽运源(4)的一面上。
9.按权利要求8所述的光电的半导体元件，
其中，所述光电的半导体元件包括至少一个反射镜(34)，该反射镜(34)与所述布拉格-反射镜结构(7)一起形成用于在所述垂直发射极层(3)中产生的电磁辐射(31)的激光谐振腔。
10.按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，
其中，在所述激光谐振腔中布置了至少一个光学元件(30、32)，该光学元件(30、32)与所述光电的半导体元件的半导体本体处于热接触之中。
11.按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，
其中，所述光学元件(30、32)具有下列光学性能中的至少一项光学性能：选频、频率倍增、反射、光学折射。
12.按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，
其中，所述光学元件(30、32)至少局部地由下列光学的基础元件中的一种基础元件构成：校准器、双折射的滤波器、在光学上非线性的晶体、反射镜、透镜。
13.按权利要求9所述的光电的半导体元件，
其中，所述激光谐振腔具有最高10毫米的长度(L)。
14.按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，
其中，所述激光谐振腔具有最高5毫米的长度(L)。
15.按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，
其中，所述激光谐振腔具有最高0.25毫米的长度(L)。
16.按权利要求1所述的光电的半导体元件，
其中，所述抽运源(4)具有蚀刻的激光面(40)。
17.按权利要求1所述的光电的半导体元件，
其中，抽运辐射在所述抽运源的激光面(40)上被全反射。
18.按权利要求1所述的光电的半导体元件，
其中，借助于透明的接触层(16)来电接触所述抽运源(4)。
19.按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，
其中，所述透明的接触层(16)包含下列材料中的至少一种：ZnO、ITO。
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