CN108352678A - 具有在棱面上受抑制的电流注入的半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

在一个实施形式中，半导体激光器(1)包括半导体层序列(2)。半导体层序列包括n型导电的n型区域(21)，p型导电的p型区域(23)和位于之间的有源区(22)，所述有源区用于产生激光辐射。为了电流注入，能导电的p型接触层(3)直接位于p型区域(23)上。直接在p型接触层(3)上安置导电的并且金属的p型接触结构(4)。半导体层序列(2)的两个棱面(25)形成用于激光辐射的谐振器端面。在直接在所述棱面(25)中的至少一个上的至少一个电流保护区域(5)中，电流注入p型区域(23)中受抑制。p型接触结构(4)与所属的棱面(25)平接，使得p型接触结构(4)并不突出于所属的棱面(25)或反之亦然，其中p型接触层(3)从电流保护区域(5)中的至少一个中去除并且在该电流保护区域(5)中p型接触结构(4)整面地与所述p型区域(23)直接接触。

Description

具有在棱面上受抑制的电流注入的半导体激光器
技术领域
提出一种半导体激光器。
本专利申请要求德国专利申请10 2015 116 336.5的优先权，其公开的内容通过参引并入本文。
发明内容
解决的目的在于，提出一种半导体激光器，所述半导体激光器具有高输出功率并且所述半导体激光器能高效地制造。
该目的还通过具有独立权利要求的特征的半导体激光器实现。优选的改进方案是从属权利要求的主题。
根据至少一个实施形式，半导体激光器包括半导体层序列。半导体层序列包含n型导电的n型区域。同样，半导体层序列具有p型导电的p型区域。有源区处于n型区域和p型区域之间。有源区设计用于基于电致发光产生激光辐射。换言之，沿着半导体层序列的生长方向或逆着半导体层序列的生长方向，n型区域、有源区和p型区域彼此跟随，优选紧随。
半导体层序列优选基于III-V族化合物半导体材料。半导体材料例如是氮化物化合物半导体材料如AlnIn1-n-mGamN或磷化物化合物半导体材料如AlnIn1-n-mGamP或还为砷化物化合物半导体材料如AlnIn1-n-mGamAs，其中分别为0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1。在此，半导体层序列可以具有掺杂材料以及附加的组成部分。然而，为简单起见，仅给出半导体层序列的晶格的主要组成部分，即Al、As、Ga、In、N或P，即使所述组成部分可以部分地通过少量其他物质替代和/或补充时也如此。
根据至少一个实施形式，激光辐射具有最大强度的波长，所述波长位于近紫外线光谱范围中。近紫外线光谱范围尤其表示在200nm和420nm之间(包括端值)或在320nm和420nm之间(包括端值)的波长。替选地，半导体激光器设计用于发射可见的激光辐射，例如蓝色的激光辐射或红色的激光辐射。蓝光优选涉及最小420nm和/或最大490nm的主波长。尤其是，在600nm和700nm之间(包括端值)的主波长理解为红光。此外，可行的是：激光辐射是近红外辐射、即具有大约在700nm和1600nm之间(包括端值)的最大强度的波长的辐射。同样，可以产生在490nm和600nm之间(包括端值)的绿色的或黄色的光谱范围中的激光辐射。
根据至少一个实施形式，半导体激光器具有p型接触层。p型接触层优选直接处于p型区域上。此外，p型接触层设置用于直接将电流注入到p型区域中。
p型接触层优选由金属制成或由出自透明导电氧化物(简称TCOs)的类别的材料，例如ZnO或ITO制造。
根据至少一个实施形式，半导体激光器包括p型接触结构。p型接触结构优选直接处于p型接触层上。p型接触层经由p型接触结构通电。因此，p型接触结构是导电的。
根据至少一个实施形式，p型接触结构由金属或金属合金构成。在此，p型接触结构可以由多个子层组成。优选地，p型接触结构包括下述金属中的一种或多种或由这些金属中的一种或多种构成，以混匀或成子层的方式：Au、Ag、Ni、Sn、Pd、Pt、Rh、Ti。p型接触结构可以由相同的金属构成。
根据至少一个实施形式，半导体层序列具有两个或多于两个的棱面。棱面优选形成用于谐振器的端面，在所述谐振器中产生并且引导激光辐射。尤其在此，棱面中的一个棱面高反射地覆层，使得所述棱面对激光辐射的反射率优选为最小90％或95％或99％或99.8％。另一棱面优选设计用于将激光辐射从半导体激光器中耦合输出，该棱面例如具有对激光辐射最大50％或70％或85％的相对小的反射率。换言之，两个优选处于半导体层序列的彼此相对置的端部上的棱面对于该激光辐射而言构成两个谐振器端面，谐振器在所述谐振器端面之间伸展。
根据至少一个实施形式，p型接触结构与棱面平接，所属的电流保护区域处于所述棱面上。这优选在公差最大5μm或2μm或0.5μm的情况下适用。即优选，接触结构不突出于所属的棱面，或反之亦然。
根据至少一个实施形式，半导体激光器具有电流保护区域。电流保护区域直接处于棱面中的至少一个棱面上。优选在所述棱面中的激光辐射所到达的任何棱面上存在一电流保护区域。在至少一个电流保护区域中，电流注入p型区域中受抑制。例如，与p型区域的其余区域相比，在电流保护区域中的电流注入减小至最多十分之一或一百分之一或五百分之一。因为p型区域在平行于有源区的方向上优选具有仅仅小的导电率，因此可以防止直接在棱面上的有源区通电。
根据至少一个实施形式，电流保护区域在垂直于所属的棱面的方向上具有大于0的伸展，伸展尤其为最小0.5μm或5μm或10μm。替选地或附加地，电流保护区域的伸展为最大100μm或30μm或20μm。此外，可行的是，电流保护区域的伸展为用于激光辐射的谐振器的长度的最大20％或10％或5％或2％。
在至少一个实施形式中，半导体激光器包括半导体层序列。半导体层序列包括n型导电的n型区域、p型导电的p型区域和位于之间的有源区，所述有源区用于产生激光辐射。为了电流注入，能导电的p型接触层直接处于p型区域上。导电的并且金属的p型接触结构直接安置在p型接触层上。半导体层序列的两个棱面形成用于激光辐射的谐振器端面。在直接在棱面中的至少一个棱面上的至少一个电流保护区域中，电流注入p型区域中受抑制。p型接触结构与所属的棱面平接。
在基于激光器的应用例如用于投影、照明或材料加工的相对强烈增长的市场中，传统的激光二极管在其最大输出功率、效率和使用寿命方面到达极限。在此描述的半导体激光器中，由于电流保护区域，降低由于在棱面上的光学损伤引起的突发故障率(也称作光学灾变损伤或简称COD)。
此外，尽管有电流保护区域，但可以使用如在晶片上生长的半导体层序列的标准化分割工艺。这尤其通过以下方式是可行的：p型接触结构能够整个面地并且连贯地施加到半导体层序列上并且能够保留直至分割为连贯的金属层。相对于传统的分割工艺，由此能避免在半导体层序列的应力的改变。
根据至少一个实施形式，p型接触层和p型接触结构在平行于有源区的方向上与至少一个或优选全部棱面和/或谐振器端面平接。
根据至少一个实施形式，激光辐射在半导体激光器运行中常规地并不逼近p型接触层或不显著逼近p型接触层。换言之，p型区域足够厚，以便将激光辐射与p型接触层屏蔽。替选地，可行的是，p型接触层对于激光辐射是透明的并且是用于在半导体激光器中的波引导的系统的一部分。
根据至少一个实施形式，p型接触层从至少一个电流保护区域或全部电流保护区域中去除，尤其完全去除。因为优选仅仅经由p型接触层将电流注入到p型区域中，由此电流保护区域免于通电。
根据至少一个实施形式，p型接触结构在电流保护区域中与p型区域直接接触。尤其，p型接触结构在电流保护区域中整面地施加在p型区域中。
根据至少一个实施形式，在至少一个电流保护区域中，电绝缘体层处于p型区域上，优选直接处于p型区域上。绝缘体层是电绝缘的或也是差导电的，使得绝缘体层的导电率于是为p型接触层的导电率的最多十分之一或一百分之一或一千分之一。绝缘体层例如由陶瓷材料、玻璃、电介质、氮化物和/或氧化物构成。例如，绝缘体层由下述材料中的一种或多种构成或包括下述材料中的一种或多种：Al2O3、SiO2、TiO2、Ta2O5、HfO2、Si3N4、AlN、SiC、类金刚石碳(英文Diamond-Like-Carbon或简称DLC)。绝缘体层优选借助原子层沉积(简称ALD)制造。替选地，可行的是，绝缘体层经由溅镀、化学气相沉积或蒸镀制造。
根据至少一个实施形式，绝缘体层在整个电流保护区域中具有恒定的厚度。换言之，于是没有针对性地设定绝缘体层的厚度变化。
根据至少一个实施形式，绝缘体层的厚度为p型接触层的厚度的最大75％或50％或20％或5％。替选地或附加地，绝缘体层的厚度为至少20nm或50nm或100nm和/或最大1μm或500nm或100nm。替选地，同样可行的是，绝缘体层与p型接触层是相同厚度的亦或比p型接触层更厚。
根据至少一个实施形式，绝缘体层在一个主侧面上直接邻接于p型区域并且在相对置的主侧面上直接邻接于p型接触结构。两个主侧面优选分别被p型区域以及p型接触结构的材料完全覆盖。换言之，绝缘体层于是直接并且完全处于p型接触结构和p型区域之间。在横向方向上、即在平行于有源区的方向上，绝缘体层能够直接邻接于p型接触层。
根据至少一个实施形式，绝缘体层部分地或完全地覆盖所属的棱面。有源区在棱面上的区域尤其被绝缘体层遮盖。
根据至少一个实施形式，绝缘体层以多层方式构成。这样，绝缘体层可以是层堆叠，所属的棱面的反射率经由层堆叠设定。例如，绝缘体层构成为抗反射层或高反射的镜。绝缘体层可以具有交替具有对激光辐射高的和低的折射率的层的序列。
根据至少一个实施形式，绝缘体层由良好导热的材料构成。由此确保在所属的棱面附近的区域热连接到优选良好导热的p型接触结构上。于是，用于绝缘体层的材料尤其是类金刚石碳、SiC或AlN。在这种情况下，用于绝缘体层的材料的比热导率优选为最小10W/m·K或50W/m·K或100W/m·K。
根据至少一个实施形式，在至少一个电流保护区域中将p型区域改性。通过改性，在该电流保护区域中防止或极大地降低电流注入p型区域中。例如，在p型区域上的电流保护区域中产生粗糙部或降低半导体层序列的结晶质量和/或p型导电率。这例如能通过反向溅镀、蚀刻或通过半导体层序列的等离子体损伤实现。换言之，通过改性提高在p型接触层和p型区域之间和/或在p型接触结构和p型区域之间的接触电阻。
根据至少一个实施形式，在至少一个电流保护区域中改性直接在p型区域上的p型接触层。通过p型接触层的改性，在该电流保护区域中减少电流注入到p型区域中。例如，在用于p型接触层的透明导电氧化物中，通过适当的热处理结合选择性遮挡，可以设定对p型区域的接触电阻和/或电流传导性。改性的区域可以整面地并且直接邻接于p型接触结构和/或p型接触层。
根据至少一个实施形式，在至少一个电流保护区域中仅部分去除p型接触层。在该电流保护区域中，p型接触层于是也优选不被半导体激光器的其他组件替代。例如，在p型接触层的部位上，在电流保护区域上形成留空部或空腔。
根据至少一个实施形式，在电流保护区域中部分去除p型接触层。p型接触层的经去除的区域可以用另一材料填充。另一材料优选具有对于激光辐射的低的光学折射率并且优选是电绝缘的。另一材料可以是如在绝缘体层中的相同材料。就此而言，关于另一材料参阅用于绝缘体层的实施方案。
根据至少一个实施形式，在至少一个电流保护区域中仅部分地去除p型接触层并且p型接触层在朝向所属的棱面的方向上具有减小的厚度。厚度优选在朝向棱面的方向上单调地减小或严格单调地减小。在此，厚度减小能够线性地进行或与曲线相联系。
根据至少一个实施形式，直接在所属的棱面上完全去除p型接触层。p型接触层被完全去除的区域优选具有在垂直于该棱面的方向上最小0.5μm或2μm或5μm的伸展或替选地或附加地具有所属的电流保护区域的伸展、即p型接触层至少部分被去除的区域的伸展的最大70％或50％或20％。
根据至少一个实施形式，p型接触层存在于电流保护区域中。在这种情况下，p型接触层优选以保持不变的厚度延伸完全穿过整个电流保护区域。尤其可行的是：在平行于有源区的方向上，p型接触层与所属的棱面和/或与p型接触结构平接。
根据至少一个实施形式，p型接触结构的材料与p型接触层的材料相比在p型区域中具有更高的接触电阻。在此，p型接触层和p型接触结构优选整面地触碰在电流保护区域的界限上，所述界限背离所属的棱面。
根据至少一个实施形式，在平行于有源区的方向上，p型接触层与p型接触结构隔开。于是在平行于有源区的方向上可以在p型接触层和p型接触结构之间构成空腔。
根据至少一个实施形式，半导体激光器是板条激光器。板条激光器具有脊形波导。经由脊形波导实现激光辐射在棱面之间的谐振器中的引导。尤其，脊形波导通过p型区域相对于p型区域的其余区域的突起形成。脊形波导的宽度在垂直于用于激光辐射的谐振器的方向上例如为最小1μm或5μm和/或最大50μm或15μm。
附图说明
接下来参考附图根据实施例详细阐述在此所描述的半导体激光器。相同的附图标记在此说明各个附图中的相同的元件。然而，在此并未示出合乎比例的关系，更确切地说，为了更好的理解会夸大地示出个别元件。
附图示出：
图1至图7示出在此描述的半导体激光器的实施例的示意剖视图，
图8示出在此描述的半导体激光器的实施例的示意剖视图，以及
图9和图10示出半导体激光器的变型形式的示意剖视图。
具体实施形式
在图1中示出半导体激光器1的实施例。半导体层序列2处于衬底7上。半导体层序列2具有n型导电的n型区域21、有源区22和p型导电的p型区域23。n型区域21、有源区22和p型区域23沿着背离衬底7的方向彼此紧随。
从衬底7和/或n型区域21以及从p型接触层3和p型接触结构4的方向将电流注入半导体层序列2中。p型接触结构4由至少一种金属构成。尤其，半导体激光器1经由p型接触结构4、例如经由焊料或键合线可以外部电接触。p型接触层3是金属层或由透明导电氧化物、尤其ITO、In2O3、SnO2或ZnO或由其构成的组合物构成的层。p型接触结构4例如为p型接触层3至少5倍厚。
在有源区22中产生的激光辐射在半导体层序列2中被引导，其中p型区域23和n型区域21分别形成外罩层。尤其，p型区域23在厚度上选择为使得没有激光辐射或仅有可忽略的量的激光辐射到达p型接触层3。在图1中示意性绘出激光辐射的强度I。
在平行于有源区22的方向上，半导体层序列2通过棱面25限界。产生的激光辐射在棱面25上反射或耦合输出。与此相应地，在棱面25上优选施加高反射的层或抗反射的层，未示出。此外，在全部实施例中，在半导体层序列2上优选各存在一未示出的钝化层。
电流保护区域5在棱面25附近。从电流保护区域5中去除p型接触层3。在电流保护区域5中，p型区域23用p型接触结构4完全覆盖。在平行于有源区22的方向上，p型接触结构4和p型接触层3直接地并且整面地彼此邻接。
因为p型接触结构4的材料相较于p型接触层3的材料显现出对p型区域23的明显更大的接触电阻，所以在电流保护区域5中因此没有或仅有非常小的电流注入到p型区域23中。在背离棱面25的方向上，电流保护区域5优选具有5μm至40μm或10μm至20μm的伸展。因为没有电流直接在棱面25上注入并且因为p型区域23具有仅仅小的横向的电流传导性，所以没有载流子复合或仅有可忽略的载流子复合直接在棱面25上进行。由此，能避免在棱面25上的COD并且与没有电流保护区域5的相应的激光器相比，半导体激光器1能用更大的电流运行。
在其余的实施例中，强度I的变化曲线和衬底7未分别标明。然而，除非另行示出，对此优选在其余实施例中适用结合图1所阐述的同样内容。
在图2的实施例中，p型接触层3朝着棱面25连续地延伸。p型区域23紧靠棱面25的区域没有p型接触层3。不同于在图2中所示，p型接触层3的厚度不仅能够线性减小，而且能够以弯曲的变化曲线减小。通过在电流保护区域5附近的p型接触层3的构型，提供在产生p型接触结构4时p型接触层3的更好的可成形性
在图3的实施例中，p型接触层3也完全地从电流保护区域5中去除。在电流保护区域5中，绝缘体层6施加到p型区域23上。绝缘体层6由电绝缘的并且优选能导热的材料、例如氧化铝构成。绝缘体层6优选经由原子层沉积制造。绝缘体层6的厚度优选小于p型接触层3的厚度。
在图4的实施例中，绝缘体层6具有与p型接触层3相等的厚度。替选地，绝缘体层6也可以比p型接触层3更厚。
在如图5中示出的实施例中，电流保护区域5通过p型区域23的局部改性部61形成。例如，经由p型区域23的反向溅镀、蚀刻或等离子体损伤局部地提高在半导体层序列2和p型接触层3之间的接触电阻，使得在电流保护区域5中没有或基本上没有电流注入到半导体层序列2中。
在此，根据图5，不仅p型接触层3而且p型接触结构4分别与在半导体层序列2处的棱面25平接。相应地，在图3的实施例中情况也能够如此。
对图5的视图替选地，还可行的是：在俯视图中看，改性部61设置在p型接触层3旁，参见图7。于是，改性部61和p型接触层3因此齐平地毗连并且并不相互重叠。与图7中的视图不同，改性部61也能够伸展直至p型接触层3下方。在这种情况下，那么p型接触层3伸入到电流保护区域5中。对图7的视图替选地，改性部61也能够与p型接触层3分开地设置，使得在俯视图中在改性部61和p型接触层3之间形成空隙。
在图8中示出，此外，在p型区域23中脊形波导9突出，如这在所有其他实施例中也可行的那样。经由脊形波导9实现在半导体层序列2中激光辐射在垂直于棱面25的方向上近似一维的引导。在图8的半导体激光器1中的电流保护区域例如如结合图3阐述的那样设计。
在脊形波导9之外，p型区域7用电绝缘层8遮盖。横向上在脊形波导9旁，在绝缘层8上安置至少一个p型接触结构4。与图8中示出的不同，p型接触层3可以在脊形波导9旁处于p型接触结构4和绝缘层8之间。
在全部实施例中，可行的是：绝缘体层6、p型接触层3和/或p型接触结构4由多个子层组成，其中这些子层优选分别彼此紧随。此外，这些实施例能够彼此组合，例如，如在图3至图5或图7所示的那样，结合图2能够分别存在绝缘体层6或改性部61。在全部实施例中同样可行的是，棱面25部分地或完全地被绝缘体层3或也被未示出的钝化部覆盖。
半导体激光器1尤其各具有两个彼此相对置的并且彼此平行定向的棱面25。棱面25特别优选地分别设置有电流保护区域5，其中两个棱面能够通过同类的电流保护区域5形成，或其中如结合图1至图7所示的那样，不同的电流保护区域5也能够彼此组合成到唯一的半导体激光器1中。
在图9中示出半导体激光器的变型形式。在该半导体激光器中，不仅p型接触层3而且p型接触结构4伸展直至靠到棱面25上。于是，也直接在棱面25上进行电流注入半导体层序列2中。由于由此直接在棱面25上进行的载流子复合，提高了由于半导体材料的加热直接对棱面25造成的损伤的危险。因此，图9的半导体激光器能够仅以较小的电流运行，以便避免这种损伤。
在图10的变型形式中，不仅p型接触层3而且p型接触结构4从电流保护区域5中去除。然而由此，半导体层序列2不能用标准工艺由晶片制造。尤其，如结合图1至图8的实施例所示的那样，相对于连续的p型接触结构4，因取消p型接触结构4而改变机械应力。相对于图10的变型形式，于是简化了根据示出的实施例的半导体激光器1的制造。
在此描述的发明并不限于在此根据实施例进行的描述。更确切地说，本发明包括任何新特征以及特征的任意组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合自身并未明确地在权利要求或实施例中予以说明也是如此。
附图标记表
1 半导体激光器
2 半导体层序列
21 n型区域
22 有源区
23 p型区域
25 棱面
3 p型接触层
4 金属的p型接触结构
5 电流保护区域
6 绝缘体层
61 p型区域的改性部
7 用于半导体层序列的衬底
8 绝缘层
9 脊形波导
I 激光辐射的强度

Claims (13)

1.一种半导体激光器(1)，所述半导体激光器具有：
-半导体层序列(2)，所述半导体层序列包括n型导电的n型区域(21)，p型导电的p型区域(23)和位于之间的有源区(22)，所述有源区用于产生激光辐射，
-用于将电流直接注入所述p型区域(23)中的导电的p型接触层(3)，和
-导电的并且金属的p型接触结构(4)，所述p型接触结构直接位于所述p型接触层(3)上，
其中
-所述半导体层序列(2)具有两个棱面(25)，所述棱面形成用于激光辐射的谐振器端面，
-在直接在所述棱面(25)中的至少一个上的至少一个电流保护区域(5)中，电流注入所述p型区域(23)中受抑制，
-所述p型接触结构(4)与所属的所述棱面(25)平接，使得所述p型接触结构(4)并不突出于所属的所述棱面(25)，或反之亦然，并且
-所述p型接触层(3)从所述电流保护区域(5)中的至少一个中去除并且在所述电流保护区域(5)中所述p型接触结构(4)整面地与所述p型区域(23)直接接触。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器(1)，
其中在至少一个电流保护区域(5)中电绝缘的绝缘体层(6)直接位于所述p型区域(23)上。
3.根据上一项权利要求所述的半导体激光器(1)，
其中所述绝缘体层(6)具有恒定的厚度，所述厚度为所述p型接触层(3)的厚度的最大20％和/或最大1μm，其中所述绝缘体层(6)完全覆盖所述电流保护区域(5)中的所述p型区域(23)。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的半导体激光器(1)，
其中所述绝缘体层(6)由下述材料中的一种或多种制造：Al2O3、SiO2、TiO2、Ta2O5、HfO2、Si3N4、AlN、SiC、类金刚石碳，
其中所述绝缘体层(6)在一个主侧面上直接邻接于所述p型区域(23)而在相对置的主侧面上直接邻接于所述p型接触结构(4)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的半导体激光器(1)，
其中所述绝缘体层(6)部分地或完全地覆盖所属的所述棱面(25)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的半导体激光器(1)，
其中所述绝缘体层(6)以多层方式构成为对于所述激光辐射的抗反射层或高反射的层。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的半导体激光器(1)，
其中所述绝缘体层(6)由如下材料制造，所述材料相较于所述p型区域(23)的材料具有更大的比导热率。
8.根据上述权利要求中任一项所述的半导体激光器(1)，
其中在至少一个电流保护区域(5)中所述p型区域(23)改性为，使得在所述电流保护区域(5)中防止电流注入所述p型区域(23)中或所述电流注入减小至最多十分之一。
9.根据上一项权利要求所述的半导体激光器(1)，
其中改性的所述p型区域(23)局部地或整面地直接邻接于所述p型接触结构(4)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的半导体激光器(1)，
其中在至少一个电流保护区域(5)中仅部分地去除所述p型接触层(3)，其中所述p型接触层(3)的厚度在朝向所述棱面(25)的方向上减小并且直接在所属的所述棱面(25)上完全去除所述p型接触层(3)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的半导体激光器(1)，
其中所述电流保护区域(5)在垂直于所属的所述棱面(25)的方向上具有伸展，所述伸展为最小0.5μm并且最大100μm并且附加地为用于所述激光辐射的谐振器长度的最大20％。
12.根据上述权利要求中任一项所述的半导体激光器(1)，
其中在平行于所述有源区(22)的方向上，所述p型接触层(3)与所属的所述棱面(25)平接并且与所述p型接触结构(4)平接。
13.根据上述权利要求中任一项所述的半导体激光器(1)，
所述半导体激光器构成为具有脊形波导(9)的条纹管激光器。
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