DE102006010727A1

DE102006010727A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102006010727A1
Application number: DE102006010727A
Authority: DE
Inventors: Marc Dr. Philippens; Tony Albrecht; Martin Müller; Wolfgang Dr. Schmid
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: US7856045B2; US20070145388A1; DE102006010727B4

Abstract

Es wird ein oberflächenemittierendes Halbleiterbauelement (1) mit einer vertikalen Emissionsrichtung angegeben, dass einen Halbleiterkörper (2) mit einer Mehrzahl von zur Strahlungserzeugung geeigneten, voneinander beabstandet angeordneten aktiven Bereichen (4a, 4b) umfasst, wobei ein frequenzselektives Element (6) im Halbleiterkörper ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement, insbesondere ein Halbleiterlaserbauelement.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement, insbesondere für ein Halbleiterlaserbauelement, mit erhöhter Effizienz anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Ein erfindungsgemäßes strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement ist als oberflächenemittierendes Halbleiterbauelement mit eine vertikalen Emissionsrichtung ausgeführt und umfasst einen Halbleiterkörper mit einer Mehrzahl von zur Erzeugung von Strahlung geeigneten, in vertikaler Richtung, insbesondere entlang der Emissionsrichtung, voneinander beabstandet angeordneten aktiven Bereichen, wobei ein frequenzselektives Element im Halbleiterkörper ausgebildet ist.

Über das frequenzselektive Element kann die Intensitätsverteilung von Strahlung im Halbleiterkörper beeinflusst werden. Bevorzugt wird die Intensitätsverteilung derart beeinflusst, dass die Intensitätsverteilung, insbesondere deren einhüllende Kurve, gemäß einer vorgegebenen Intensitätsverteilung bzw. einer vorgegebenen Kurve geformt ist. Insbesondere kann die Intensitätsverteilung derart beeinflusst werden, dass die Intensität, die in einem absorbierendem, nicht zur Strahlungserzeugung ausgebildeten Element im Halbleiterkörper absorbiert werden kann, gegenüber einem gleichartig ausgebildeten Halbleiterkörper, bei dem jedoch auf das frequenzselektive Element verzichtet ist, verringert ist. Die im Halbleiterkörper absorbierte Strahlungsleistung kann so verringert werden, wodurch die ausgekoppelte Strahlungsleistung erhöht wird.

Mittels der Mehrzahl von aktiven Bereichen kann die im Halbleiterkörper erzeugte Strahlungsleistung und hierüber mit Vorteil ebenso die aus dem Halbleiterkörper ausgekoppelte Strahlungsleistung erhöht werden. Insbesondere kann so auch die aus dem Halbleiterkörper ausgekoppelte Strahlungsleistung bezogen auf den Flächeninhalt einer Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterbauelements erhöht werden.

Ferner ist bei dem Halbleiterbauelement aufgrund der Mehrzahl von aktiven Bereichen der elektrische Widerstand im Halbleiterkörper auf eine Mehrzahl von aktiven Bereichen verteilt, sodass der Widerstand des Halbleiterkörpers pro aktiven Bereich gegenüber einem Halbleiterkörper mit einer geringeren Anzahl an aktiven Bereichen verringert ist. Der von einem Betriebsstrom pro aktivem Bereich zu überwindende Widerstand kann so verringert werden. Die Konversionseffizienz von dem Halbleiterkörper zugeführter elektrischer Leistung in Strahlungsleistung wird in der Folge erhöht.

Insgesamt zeichnet sich das Halbleiterbauelement demnach durch vereinfacht erhöhbare Effizienz aus.

Bevorzugt sind zwei aktive Bereiche zur Erzeugung von Strahlung der gleichen Wellenlänge ausgebildet. Dies kann durch gleichartige Ausführung der aktiven Bereiche, z. B. mittels gleicher Materialien und/oder des gleichen strukturellen Aufbaus der aktiven Bereiche, vereinfacht erreicht werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen zwei aktiven Bereichen ein Tunnelübergang monolithisch im Halbleiterkörper integriert, wobei die beiden aktiven Bereiche mittels des Tunnelübergangs im Betrieb des Halbleiterbauelements, insbesondere in Serie, elektrisch leitend verbunden sind.

Über den Tunnelübergang kann die Konversionseffizienz von in den Halbleiterkörper injizierten Ladungsträgern in Strahlung (Photonen) mittels der über den Tunnelübergang elektrisch leitend verbundenen aktiven Bereiche erhöht werden. Ein in dem einen aktiven Bereich unter Strahlungserzeugung rekombinierendes Elektron, kann durch den Tunnelübergang, der beispielsweise als, insbesondere im Betrieb des Halbleiterbauelements in Durchlassrichtung bezüglich der aktiven Bereiche, in Sperrrichtung gepolte Tunneldiode ausgeführt ist, hindurch tunneln und in den anderen aktiven Bereich gelangen.

Der Tunnelübergang ist bevorzugt derart ausgebildet, dass Elektronen nach strahlender Rekombination aus dem Valenzband des einen aktiven Bereichs ins Leitungsband des anderen aktiven Bereichs tunneln und somit wiederum zur Strahlungserzeugung in dem letztgenannten aktiven Bereich genutzt werden können. Ein Ladungsträger kann somit mehrfach, d.h. in einer Mehrzahl von aktiven Bereichen, zur Strahlungserzeugung genutzt werden.

Der Tunnelübergang weist bevorzugt zwei Tunnel-Halbleiterschichten unterschiedlichen Leitungstyps auf. Ferner ist der Tunnelübergang bevorzugt im Halbleiterkörper zwi schen zwei Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers unterschiedlichen Leitungstyps angeordnet, die besonders bevorzugt an den Tunnelübergang angrenzen. Die Halbleiterschichten des Tunnelübergangs weisen bevorzugt eine höhere Dotierstoffkonzentration auf als die jeweilige an den Tunnelübergang angrenzende Halbleiterschicht des Halbleiterkörpers des jeweils gleichen Leistungstyps. Weiterhin grenzen die Tunnel-Halbleiterschichten des Tunnelübergangs bevorzugt jeweils an eine Halbleiterschicht des Halbleiterkörpers an, die den gleichen Leitungstyp aufweist wie die angrenzende Tunnelschicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das frequenzselektive Element zwischen zwei aktiven Bereichen angeordnet. Besonders bevorzugt ist das frequenzselektive Element zwischen den aktiven Bereichen angeordnet, die über den Tunnelübergang elektrisch leitend verbunden sind. Im Bereich des Tunnelübergangs ist so aufgrund der relativen räumlichen Nähe zum frequenzselektiven Element die Strahlungsintensität vereinfacht verringerbar. Ein Tunnelübergang weist in der Regel ein hohes Absorptionsvermögen für im Halbleiterkörper erzeugte Strahlung, insbesondere durch freie Ladungsträger, auf, sodass eine Minderung der Intensität im Bereich des Tunnelübergangs mittels des frequenzselektiven Elements von besonderem Vorteil ist.

Bevorzugt ist das frequenzselektive Element derart ausgebildet, dass die Intensität der erzeugten Strahlung im Halbleiterkörper innerhalb des frequenzselektiven Elements gemindert ist. Zweckmäßigerweise ist der Tunnelübergang vom frequenzselektiven Element umgeben oder in dieses eingebettet.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Halbleiterbauelement einen internen Resonator auf oder ist für den Betrieb mit einem externen Resonator ausgebildet. Bevorzugt ist das Halbleiterbauelement zum Betrieb als elektrisch gepumptes Halbleiterlaserbauelement mit einem Resonator ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Halbleiterbauelement zum Betrieb als VCSEL (VCSEL: vertical cavity surface emitting laser) mit einem internen Resonator ausgebildet.

Im Betrieb des Halbleiterbauelements mit Resonator baut sich im Resonator ein Strahlungsfeld, insbesondere ein Feld stehender Wellen (Stehwellenfeld) auf, das zumindest zum Teil durch stimulierte Emission in den aktiven Bereichen verstärkt werden kann. Die verstärkte Strahlung kann als kohärente Laserstrahlung aus dem Resonator auskoppeln.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Resonator mittels eines ersten Resonatorspiegels und eines zweiten Resonatorspiegels gebildet und vorzugsweise begrenzt. Der erste Resonatorspiegel und/oder der zweite Resonatorspiegel kann als, insbesondere monolithisch. im Halbleiterkörper integrierter, Braggspiegel (Resonator-Braggspiegel) ausgeführt sein.

Spiegel, mittels derer der Resonator gebildet ist, sind bevorzugt mit einer hohen Reflektivität, beispielsweise von 99% oder größer, etwa 99,9% oder größer ausgebildet, wobei einer der Spiegel als Auskoppelspiegel von Strahlung aus dem Resonator dient und hierzu bevorzugt eine entsprechend geringere Reflektivität aufweist. Die Reflektivität des Auskoppelspiegels ist hierbei zweckmäßigerweise derart groß gewählt, dass im Betrieb des Bauelements Lasertätigkeit erreichbar ist.

Der Resonator ist bevorzugt als gemeinsamer Resonator für eine Mehrzahl von aktiven Bereichen, z. B. zwei oder mehr aktive Bereichen, die jeweils als Verstärkungsbereiche für Strahlung im Halbleiterkörper ausgebildet und innerhalb des diesen aktiven Bereichen gemeinsamen Resonators angeordnet sind, ausgebildet. Dies betrifft bevorzugt die beiden aktiven Bereiche, zwischen denen das frequenzselektive Element und/oder der Tunnelübergang angeordnet ist. Über eine Mehrzahl an Verstärkungsbereichen in einem gemeinsamen Resonator kann die Verstärkung erhöht werden. Ein zum Erreichen der Lasertätigkeit erforderlicher Schwellstrom bzw. eine entsprechende Schwellstromdichte kann hierdurch mit Vorteil reduziert werden. Weiterhin kann bei gleichbleibendem Pumpstrom die im Halbleiterkörper erzeugte Strahlungsleistung erhöht werden.

Alternativ oder ergänzend kann die Reflektivität eines Resonatorspiegels verringert werden, wobei trotz der verringerten Reflektivität aufgrund der erhöhten Verstärkung noch zuverlässig Lasertätigkeit erreicht werden kann. Zweckmäßigerweise wird hierbei die Reflektivität des Auskoppelspiegels verringert, sodass die aus dem Resonator ausgekoppelte Strahlungsleistung ohne maßgebliche Erhöhung des Schwellstroms, gesteigert werden kann.

Ein Pumpstrom für das elektrische Pumpen des Halbleiterbauelements kann durch den ersten Resonatorspiegel und/oder den zweiten Resonatorspiegel fließen. Bevorzugt ist zumindest ein Resonatorspiegel dotiert, sodass der Pumpstrom über den dotierten Resonatorspiegel mit vorteilhaft geringem Widerstand geleitet werden kann.

Der elektrische Widerstand im Resonator bzw. im Halbleiterkörper, insbesondere derjenige eines den Pumpstrom leitenden Resonatorspiegels, wird aufgrund der Mehrzahl an aktiven Bereichen auf diese aktiven Bereiche verteilt. Der vom Pumpstrom im Halbleiterkörper zu überwindende elektrische Widerstand bezogen auf die Anzahl an aktiven Bereichen ist folglich gegenüber einem Halbleiterbauelement mit einer geringeren Zahl von aktiven Bereichen verringert. Die Konversionseffizienz wird so erhöht.

Ein Braggspiegel umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten Schichten, insbesondere Halbleiterschichten, mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Diese Schichten sind bevorzugt jeweils als λ/4-Schicht für eine vom Halbleiterbauelement zu emittierende, insbesondere im Resonator zu verstärkende, Strahlung der Wellenlänge λ ausgeführt.

Für einen an der Resonatorbildung beteiligten Braggspiegel können, um das Erreichen der Lasertätigkeit zu gewährleisten, beispielsweise fünfzig oder mehr Schichten erforderlich sein. Der elektrische Widerstand eines Braggspiegels wächst in der Regel mit der Schichtanzahl aufgrund der steigenden Anzahl an Grenzflächen Daher weist ein Resonatorspiegel, der als Braggspiegel ausgeführt ist, oftmals einen vergleichsweise hohen Widerstand auf. Der Widerstand eines Halbleiterbauelements mit einem monolithisch in den Halbleiterkörper integrierten Resonator-Braggspiegel kann also maßgeblich durch den elektrischen Widerstand dieses, den Pumpstrom leitenden Braggspiegels bestimmt sein. Aufgrund des hohen Widerstands des Spiegels erhöht sich demnach gemäß P = RI² mit der elektrischen Leistung P, dem Strom I und dem Widerstand R auch die erforderliche elektrische Pumpleistung, da am Braggspiegel eine maßgebliche Leistung abfällt. Aufgrund der Mehrzahl von aktiven Bereichen, denen ein gemeinsamer Pumpstrom über den Braggspiegel zugeführt werden kann, wird der Widerstand des Halbleiterbauelements pro aktivem Bereich verringert, wodurch die Konversionseffizienz erhöht werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen der erste Resonatorspiegel und der zweite Resonatorspiegel eine der folgenden Ausgestaltungen auf: gleicher Leitungstyp, verschiedener Leitungstyp. Weisen die Resonatorspiegel den gleichen Leitungstypen auf, so wird zweckmäßigerweise ein für das Halbleiterbauelement vorteilhafter Leitungstyp gewählt. In n-leitenden Halbleitermaterialien ist die Absorption von im Halbleiterkörper erzeugter Strahlung an freien Ladungsträgern in der Regel – verglichen mit p-leitenden Halbleitermaterialien – vorteilhaft gering. Bevorzugt sind daher beide Resonatorspiegel n-leitend und insbesondere als Braggspiegel ausgeführt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen einem Resonatorspiegel und dem diesem nächstliegenden aktiven Bereich ein, gegebenenfalls zusätzlicher, Tunnelübergang monolithisch im Halbleiterkörper integriert. Hierdurch wird der Einsatz zweier Resonator-Braggspiegel gleichen Leitungstyps erleichtert, ohne die Stromzufuhr zu den aktiven Bereichen aufgrund eines sich sonst ausbildenden, maßgeblich sperrenden pn-Übergangs maßgeblich zu behindern.

Gegenüber Resonator-Braggspiegeln gleichen Leitungstyps ist ein Halbleiterkörper mit monolithisch integrierten Resonator-Braggspiegeln verschiedenen Leitungstyps vereinfacht und insbesondere zum Großteil standardgemäß fertigbar.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfassen zwei aktive Bereiche eine Quantentopfstruktur. Eine Ein- oder Mehrfach-Quantentopfstruktur zeichnet sich durch besonders hohe interne Quanteneffizienz bei der Strahlungserzeugung im jeweiligen aktiven Bereich aus. Hierbei beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper derart ausgebildet, dass das sich im Betrieb des Halbleiterbauelements innerhalb des Resonators ausbildende, insbesondere im Halbleiterkörper zu verstärkende, Strahlungsfeld ein Intensitätsminimum (Intensitätsknoten) innerhalb des Tunnelübergangs, der die zwei aktiven Bereiche des Halbleiterkörpers, insbesondere seriell, elektrisch leitend verbindet, aufweist. Dies betrifft bevorzugt eine zu verstärkende, vorzugsweise vorgegebene, Mode des Stehwellenfeldes.

Alternativ oder zusätzlich kann der Halbleiterkörper für den einem Braggspiegel, wie oben beschrieben, nachgeschalteten Tunnelübergang entsprechend ausgebildet sein. Auch in diesem, gegebenenfalls zusätzliches, Tunnelübergang kann somit ein Intensitätsminimum des Stehwellenfeldes angeordnet sein.

Aufgrund der mittels des frequenzselektiven Elements verminderbaren Strahlungsintensität im Bereich des Tunnelübergangs kann im Tunnelübergang nur eine vergleichsweise geringe Strahlungsleistung absorbiert werden. Auch bei der Ausbildung des Tunnelübergangs im Halbleiterkörper leicht außerhalb eines Intensitätsminimums des Stehwellenfeldes kann die im Tunnelübergang absorbierbare Strahlungsleistung hierdurch vereinfacht in vertretbarem Rahmen gehalten werden, ohne dass die Effizienz oder die Lasereigenschaften des Halbleiterbauelements wesentlich beeinträchtigt sind. So kann z. B. der Schwellstrom trotz eines die aktiven Bereiche elektrisch aneinander koppelnden, absorbierenden Tunnelübergangs vereinfacht vergleichsweise gering gehalten werden.

Bei der Anordnung des Tunnelübergangs bzw. der Herstellung des Halbleiterkörpers, der bevorzugt epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat gewachsen ist, ist somit aufgrund der Intensitätsmodulation mittels des frequenzselektiven Elements die Fertigungstoleranz erhöht, ohne dass die Effizienz maßgeblich gemindert ist. Eine Abweichung von der Anordnung des Tunnelübergangs um einen Intensitätsknoten führt insbesondere nur zu einer maßvollen Erhöhung der absorbierten Strahlungsleistung.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das frequenzselektive Element einen Braggspiegel und besonders bevorzugt einen weiteren Braggspiegel. Der Halbleiterkörper kann also insbesondere zusätzlich zu einem (den) Resonator-Braggspiegel(n) einen weiteren Braggspiegel umfassen, der bevorzugt als im Halbleiterkörper monolithisch integrierter Braggspiegel ausgeführt ist Der (die) Braggspiegel des frequenzselektiven Elements ist (sind) bevorzugt zwischen zwei aktiven Bereichen des Halbleiterkörpers angeordnet.

Das frequenzselektive Element ist bevorzugt frei von einem aktiven Bereich, so dass insbesondere zwischen den Braggspiegeln des frequenzselektiven Elements mit Vorzug kein aktiver Bereich angeordnet ist.

Über das frequenzselektive Element werden, insbesondere mittels Reflexion an den Braggspiegeln, zusätzliche Phasenbedingungen für das Strahlungsfeld innerhalb des Resonators geschaffen. Die Intensität des Stehwellenfeldes im Resonator kann zwischen den Braggspiegeln des frequenzselektiven Elements vereinfacht verringert werden. Insbesondere betrifft dies eine Absenkung der einhüllenden Kurve der Intensitätsverteilung des Stehwellenfeldes im Halbleiterkörper innerhalb des frequenzselektiven Elements gegenüber einem Halbleiterkörper ohne ein frequenzselektives Element.

Die einhüllende Kurve der Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes kann also über das frequenzselektive Element gezielt geformt und modifiziert werden. Die einhüllende Kurve der Intensitätsverteilung, insbesondere einer im Resonator zu verstärkenden, z. B. longitudinalen, Mode, kann derart geformt werden, dass sie ein lokales Minimum zwischen den aktiven Bereichen – insbesondere denjenigen, zwischen denen das frequenzselektive Element angeordnet ist –, innerhalb des frequenzselektiven Elements, zwischen den Braggspiegeln des Elements und/oder im Bereich des Tunnelübergangs, aufweist.

Alternativ oder zusätzlich kann ein lokales Maximum der einhüllenden Kurve mittels des frequenzselektiven Elements gezielt, z. B. nach außerhalb des Bereichs zwischen zwei aktiven Bereichen, verschoben werden.

Alternativ oder zusätzlich kann das frequenzselektive Element zur, insbesondere longitudinalen, Modenselektion ausgebildet sein. Hierdurch kann die Auswahl einer vorgegebenen, im Resonator zu verstärkenden Mode vereinfacht werden. Das frequenzselektive Element erhöht hierbei bevorzugt die Verluste für nicht im Resonator zu verstärkende Moden. Ein longitudinal monomodiger Betrieb des Halbleiterelements ist so vereinfacht erreichbar.

Das frequenzselektive Element ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Ausbildung eines Subresonators, d.h. eines separaten Resonators für einen aktiven Bereich eines Paars von aktiven Bereichen, im Halbleiterbauelement vermieden wird. Hierzu ist (sind) der (die) Braggspiegel des frequenzselektiven Elements zweckmäßigerweise für die im Resonator zu verstärkende Strahlung der Wellenlänge λ mit derart geringen Reflektivitäten ausgebildet, dass ein Anschwingen von Moden, die nicht dem gemeinsamen Resonator angehören, vermieden wird.

Eine Reflektivität von 95% oder weniger, bevorzugt 90% oder weniger, besonders bevorzugt 80% oder weniger, ist hierfür besonders geeignet. Die Reflektivität des Braggspiegels und/oder des weiteren Braggspiegels ist weiterhin bevorzugt größer als 30%, besonders bevorzugt größer als 40%. Derartige Reflektivitäten sind für die Intensitätsmodulation besonders geeignet. Je geringer die Reflektivität der einzelnen Spiegel für die erzeugte Strahlung ist, desto geringer ist auch die Gefahr des Anschwingens von Subresonatormoden. Je größer die Reflektivität ist, desto besser kann jedoch die Intensitätsverteilung beeinflusst werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Tunnelübergang, der die beiden aktiven Bereiche elektrisch leitend verbindet, zwischen den beiden Braggspiegeln des frequenzselektiven Elements angeordnet. Bevorzugt grenzen Tunnel-Halbleiterschichten des Tunnelübergangs jeweils an die Schichten des entsprechenden Braggspiegels an.

Weiterhin weisen die Braggspiegel des frequenzselektiven Elments bevorzugt unterschiedliche Leitungstypen auf. Das frequenzselektive Element kann insbesondere monolithisch im Halbleiterkörper integriert sein. Strukturelle Modifikationen am frequenzselektiven Element sind nach dem Aufwachsen von Schichten für Braggspiegel des frequenzselektiven Elements für die Frequenzselektion mit Vorteil nicht erforderlich.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen zwei aktiven Bereichen, bevorzugt im frequenzselektiven Element integriert, besonders bevorzugt in einem Braggspiegel des frequenzselektiven Elements integriert, eine Stromblende ausgebildet. Der Stromfluss im Halbleiterkörper kann mittels eines elektrisch isolierenden Stromsperrbereichs der Stromblende lateral in Richtung einer elektrisch leitfähigen, stromführenden Apertur der Stromblende geführt und in vertikaler Richtung durch diese Apertur geleitet werden. Mittels der Stromblende wird der Stromfluss in lateraler Richtung konzentriert und insbesondere der Strompfad eingeschnürt. Der Ladungsträgerfluss zwischen den aktiven Bereichen kann über die Stromblende in lateraler Richtung eingeschnürt werden, wodurch der Stromaufweitung zwischen den aktiven Bereichen vorgebeugt wird. Die Stromdichte im Halbleiterkörper kann mittels der Stromblende durch Einschnürung erhöht werden, wodurch eine zum Erreichen der Lasertätigkeit erforderliche Schwellstromdichte vereinfacht erreicht werden kann.

Bevorzugt ist die Stromblende in einem p-leitenden Halbleiterbereich des Halbleiterkörpers, z. B. in einem p-leitenden Braggspiegel des frequenzselektiven Elements, integriert. Bei herkömmlichen Halbleiterlaserbauelementen ist oftmals innerhalb eines p-leitenden Halbleiterbereichs, insbesondere einem p-leitenden Resonator-Braggspiegel, eine Stromblende ausgebildet. Die Integration einer zusätzlichen Stromblende in einem Halbleiterbereich zwischen den aktiven Bereichen, insbesondere einem p-leitenden Braggspiegel des frequenzselektiven Elements, kann so vereinfacht in der gleichen Materialumgebung, d.h. in Schichten gleicher Zusammensetzung und/oder Dotierung, wie die ohnehin im Halbleiterkörper vorgesehenen Stromblende realisiert werden. Da eine Stromblende oftmals als Oxidblende mittels lateraler Oxidation einer Halbleiterschicht ausgebildet wird, können so vereinfacht zwei Stromblenden mit einer gleichgroßen, stromleitenden Apertur ausgebildet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper derart ausgebildet, dass ein aktiver Bereich gezielt derart außerhalb eines Intensitätsmaximums des Strahlungsfeldes im Resonator angeordnet ist, dass dieses Intensitätsmaximum innerhalb eines n-leitenden Halbleiterbereichs des Halbleiterkörpers, der bevorzugt an den aktiven Bereich angrenzt, liegt oder in dessen Richtung verschoben ist. Dies kann durch geeignete Ausbildung des Halbleiterkörpers erreicht werden. Das Intensitätsmaximum ist vorzugsweise das dem aktiven Bereich nächstliegende Intensitätsmaximum, insbesondere einer in den aktiven Bereichen zu verstärkenden Mode.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält der Halbleiterkörper, insbesondere der Tunnelübergang, die aktiven Bereiche und/oder das frequenzselektive Element, ein III-V-Halbleitermaterial, insbesondere ein Material aus den III-V-Halbleitermaterialsystemen In_x Ga_y Al_1-x-y P, In_x Ga_y Al_1-x-y N oder In_x Ga_y Al_1-x-y As, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 und/oder ein Material aus den Halbleitermaterialsystemen InGaAsN, InGaAsSb, InGaAsSbN oder In_x Ga_1-x As_y P_1-y mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 enthält, wobei für die angegebenen Parameter x und y bevorzugt jeweils x ≠ 0 und/oder y ≠ 0 gilt. Weiterhin ist bevorzugt x ≠ 1 und/oder y ≠ 1. III-V-Halbleitermaterialien können sich durch besonders hohe Quanteneffizienzen bei der Strah lungserzeugung und vereinfachte Herstellbarkeit eines Halbleiterkörpers für das Halbleiterbauelement auszeichnen. Mit den genannten Materialsystemen kann Strahlung in verschiedenen Spektralbereichen besonders effizient erzeugt werden. Hierbei ist In_x Ga_y Al_1-x-y N für ultraviolette Strahlung, über blaue bis zu grüner Strahlung, In_x Ga_y Al_1-x-y P für gelbe bis rote Strahlung und In_x Ga_y Al_1-x-y As für infrarote Strahlung besonders geeignet
Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
2 zeigt Simulationsergebnisse für einen Teil des Intensitätsverlaufs in einem Halbleiterkörper eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und
4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Gleiche, gleichartige und gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement 1 ist als elektrisch gepumptes Halbleiterlaserbauelement, insbesondere als VCSEL mit einem internen Resonator, ausgeführt. Das Halbleiterbauelement 1 umfasst einen Halbleiterkörper 2, der auf einem Substrat 3, das den Halbleiterkörper mit Vorteil mechanisch stabilisiert, angeordnet ist. Der Halbleiterkörper 2 ist bevorzugt monolithisch integriert ausgeführt und besonders bevorzugt auf dem Substrat 3, das dann das Aufwachssubstrat umfasst oder aus diesem ausgebildet ist, epitaktisch gewachsen.
Der Halbleiterkörper 2 umfasst zwei aktive Bereiche 4a und 4b, die zur elektrolumineszenten Strahlungserzeugung geeignet sind. Diese aktiven Bereiche sind voneinander beabstandet und vorzugsweise im Halbleiterkörper zueinander benachbart angeordnet. Über einen zwischen diesen aktiven Bereichen im Halbliterkörper angeordneten und ausgebildeten Tunnelübergang 5 sind die aktiven Bereiche 4a und 4b seriell elektrisch leitend verbunden. Der Tunnelübergang 5 ist in ein frequenzselektives Element 6, das zwischen den aktiven Bereichen 4a und 4b angeordnet ist, eingebettet und insbesondere vom frequenzselektiven Element umgeben.
Das frequenzselektive Element 6 umfasst einen ersten Braggspiegel 7 und einen zweiten Braggspiegel 8, die zwischen den aktiven Bereichen 4a und 4b im Halbleiterkörper 2 angeordnet und bevorzugt monolithisch im Halbleiterkörper integriert sind. Der Tunnelübergang 5 ist insbesondere zwischen den Braggspiegeln 7 und 8 des frequenzselektiven Elements an geordnet und ebenfalls bevorzugt monolithisch in den Halbleiterkörper integriert durchgeführt. Innerhalb des frequenzselektiven Elements und insbesondere zwischen den Braggspiegeln 7 und 8 des frequenzselektiven Elements 6 ist bevorzugt kein aktiver Bereich angeordnet.
Die aktiven Bereiche 4a und 4b sind jeweils zwischen zwei Halbleiterbereichen – den Halbleiterbereichen 9a und 10a im Falle des aktiven Bereichs 4a bzw. den Halbleiterbereichen 9b und 10b im Falle des aktiven Bereichs 4b – angeordnet, wobei die einen aktiven Bereich umgebenden Halbleiterbereiche bevorzugt, insbesondere jeweils, verschiedene Leitungstypen – n-leitend oder p-leitend – aufweisen. Hierzu sind die Halbleiterbereiche zweckmäßigerweise entsprechend dotiert.
Bevorzugt weisen die auf der entsprechenden, insbesondere der gleichen, Seite des jeweiligen aktiven Bereichs angeordneten Halbleiterbereiche den gleichen Leitungstyp auf. Insbesondere weisen die Halbleiterbereiche 9a und 9b, z. B. n-leitend, bzw. die Halbleiterbereiche 10a und 10b, z. B. p-leitend, vorzugsweise jeweils die gleichen Leitungstypen auf.
Ein Resonator des Halbleiterbauelements 1 ist mittels eines ersten Resonator-Endspiegels 11 und eines zweiten Resonator-Endspiegels 12 gebildet, zwischen denen die beiden aktiven Bereiche 4a und 4b angeordnet sind und die den Resonator bevorzugt begrenzen. Die Resonator-Endspiegel sind vorzugsweise auf den aktiven Bereichen aufgebracht, wodurch insbesondere ein interner Resonator gebildet ist.
Der erste Resonator-Endspiegel 11 und/oder der zweite Resonator-Endspiegel 12 ist bevorzugt als monolithisch in dem Halbleiterkörper 2 integrierter Resonator-Braggspiegel ausgebil det und besonders bevorzugt ist der erste Resonator-Endspiegel und/oder der zweite Resonator-Endspiegel dotiert. Der jeweilige dotierte Resonator-Braggspiegel weist bevorzugt den gleichen Leitungstyp auf, wie ein zwischen dem jeweiligen Resonator-Braggspiegel und dem nächstliegenden aktiven Bereich angeordneter Halbleiterbereich. Der erste Resonator-Endspiegel 11 ist demnach bevorzugt p-leitend (entsprechend dem Halbleiterbereich 10a) und der zweite Resonator-Endspiegel 12 ist bevorzugt n-leitend (entsprechend dem Halbleiterbereich 9b) ausgeführt.
Ferner ist der erste Braggspiegel 7 und/oder der zweite Braggspiegel 8 des frequenzselektiven Elements 6 bevorzugt dotiert. Der erste Braggspiegel 7 weist bevorzugt den gleichen Leitungstypen auf wie der, insbesondere auf der dem Tunnelübergang 5 abgewandten Seite des Braggspiegels 7 an den Braggspiegel angrenzende, Halbleiterbereich 9a. Entsprechendes gilt für den zweiten Braggspiegel 8 des frequenzselektiven Elements 6 bezüglich des, insbesondere zwischen den beiden aktiven Bereichen angeordneten, Halbleiterbereichs 10b. Der erste Braggspiegel 7 ist demnach bevorzugt n-leitend und der zweite Braggspiegel 8 bevorzugt p-leitend ausgeführt.
Die aktiven Bereiche 4a und 4b sind über das zwischen den aktiven Bereichen angeordnete frequenzselektive Element 6 und den Tunnelübergang 5 elektrisch leitend miteinander und ferner mit einem ersten Kontakt 13 sowie einem zweiten Kontakt 14 des Halbleiterbauelements 1 verbunden. Über die Kontakte 13 und 14 können im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträger in den Halbleiterkörper 2 injiziert werden, die in den aktiven Bereichen 4a und 4b unter Strahlungserzeugung rekombinieren können.
Der erste Kontakt 13, z. B. eine Kontaktmetallisierung, ist bevorzugt auf der dem Substrat 3 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 2 angeordnet und, falls, wie bei einem dargestellten Top-Emitter, eine Emissionsoberfläche 200 des Halbleiterkörpers 2 auf der dem Substrat 3 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers angeordnet ist, ist der erste Kontakt zweckmäßigerweise für den Strahlungsdurchtritt ausgespart und z. B. als Ringkontakt ausgeführt. Der zweite Kontakt 14, z. B. eine Kontaktmetallisierung, ist bevorzugt auf der dem Halbleiterkörper 2 abgewandten Seite des Substrats 3 angeordnet. Für die Stromdurchleitung ist das Substrat 3 bevorzugt elektrisch leitend ausgeführt, z. B. durch entsprechende Dotierung.
Eine Apertur 100 des Ringkontakts für den Strahlungsdurchtritt kann in Aufsicht auf die Emissionsoberfläche 200 des Halbleiterkörpers 2 kreisartig oder ellipsenartig ausgeführt sein. Eine ellipsenartige Ausführung ist zur Beeinflussung der Polarisation für eine aus dem Halbleiterkörper 2 austretende Strahlung 19, z. B. infrarote Strahlung, besonders geeignet.
Ladungsträger, die in einem der aktiven Bereiche strahlend rekombinieren, können nach dem Tunneln durch den Tunnelübergang 5 in den anderen aktiven Bereich gelangen. Der Tunnelübergang 5 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass Ladungsträger nach der Rekombination in einem aktiven Bereich von dem Valenzband dieses aktiven Bereichs in das Leitungsband des anderen aktiven Bereichs tunneln und in diesem nochmals strahlend rekombinieren. Die Konversionseffizienz des Halbleiterbauelements bei der Umwandlung von elektrischer Leistung in Strahlungsleistung wird so vorteilhaft erhöht, da ein Ladungsträger mehrfach, d.h. in einer Mehrzahl von aktiven Bereichen, zur Strahlungserzeugung genutzt werden kann.
In dem Resonator baut sich mittels Reflexion an den Resonator-Endspiegeln ein Strahlungsfeld stehender Wellen (Stehwellenfeld) auf. Dieses Strahlungsfeld, insbesondere eine Mode des Feldes, kann durch stimulierte Emission in den aktiven Bereichen 4a und 4b verstärkt werden. Die verstärkte kohärente Laserstrahlung 19 kann über einen als Auskoppelspiegel dienenden Resonator-Endspiegel, vorliegend den Resonator-Endspiegel 11, aus dem Halbleiterkörper 2 des Halbleiterbauelements 1 in vertikaler Richtung, d.h. senkrecht zu einer lateralen Hauptfläche der aktiven Bereiche, die bevorzugt, parallel zueinander angeordnet sind, aus dem Resonator auskoppeln.
Der Halbleiterkörper 2 des Halbleiterbauelements 1 basiert bevorzugt auf (In, Al)GaAs, besonders bevorzugt auf (Al)GaAs. Derartige Materialien sind zur effizienten Strahlungserzeugung, insbesondere infraroter Strahlung, besonders geeignet. Infrarote Strahlung eignet sich besonders zur Datenübertragung, wofür das Halbleiterbauelement bevorzugt vorgesehen ist.
Die Resonator-Endspiegel 11 und 12 weisen bevorzugt eine hohe Reflektivität, z. B. von 97% oder größer, insbesondere 99% oder größer, etwa 99,9%, für in den aktiven Bereichen zu verstärkende Strahlung der Wellenlänge λ auf. Die Reflektivität eines als Auskoppelspiegel dienenden Resonatorspiegels ist bevorzugt geringer als die des weiteren Resonatorspiegels, vorliegend des zweiten Resonator-Endspiegels 12.
Ein Braggspiegel des Halbleiterbauelements – der erste Resonator-Braggspiegel 11, der zweite Resonator-Braggspiegel 12, der erste Braggspiegel 7 des frequenzseleketiven Elements und/oder der zweite Braggspiegel 8 des frequenzselektiven Elements 6 – weist bevorzugt eine Vielzahl von Halbleiterschichten, beispielsweise 55 oder mehr Halbleiterschichten für einen Resonator-Endspiegel, mit unterschiedlichen Brechungsindices auf. Diese basieren vorzugsweise jeweils auf (Al)GaAs. Für das Erzielen einer vorgegebenen Reflektivität, insbesondere der Resonator-Endspiegel 11 bzw. 12, die für das Erreichen der Lasertätigkeit ausreicht, z. B. von 99,8% oder größer, ist oftmals eine derart hohe Schichtanzahl nötig. Die Halbleiterschichten eines Braggspiegels des Halbleiterbauelements sind weiterhin bevorzugt jeweils als λ/4-Schichten für in den aktiven Bereichen 4a und 4b zu verstärkende Strahlung der Wellenlänge λ ausgeführt.
Um die Schichtanzahl in einem Braggspiegel bei gleichbleibender Reflektivität zu verringern, werden bevorzugt Materialien mit vorteilhaft hohem Brechungsindexunterschied, etwa AlAs und GaAs, für die verschiedenen Halbleiterschichten des Braggspiegels eingesetzt. Der elektrische Widerstand des Braggspiegels kann so aufgrund der vergleichsweise geringen Schichtanzahl vorteilhaft gering gehalten werden. Der Braggspiegel kann Halbleiterschichtenpaare mit Einzelschichten unterschiedlicher Brechungsindices umfassen, die derart alternierend angeordnet sind, dass auf eine hochbrechende Schicht eine niedrigbrechende Schicht folgt. Alternativ oder ergänzend können Spiegelstrukturen eingesetzt werden, bei denen eine oder eine Mehrzahl von λ/4-Schichten einen Material-Gradienten, beispielsweise einen Gradienten im Al-Gehalt, aufweisen.
Der Pumpstrom für das elektrische Pumpen des Halbleiterbauelements wird über die Kontakte 13, 14, die Resonator-Endspiegel 11 und 12 sowie vorzugsweise das Substrat 3 in den Halbleiterkörper injiziert.
Aufgrund der Vielzahl von Schichten tragen Resonator-Braggspiegel 11 und 12 in hohem Maße zum gesamten elektrischen Widerstand des Halbleiterkörpers 2 bei. Da der Widerstand dieser Braggspiegel aufgrund der Mehrzahl von aktiven Bereichen auf diese Bereiche verteilt wird, kann die Konversionseffizienz des Halbleiterbauelements 1 von elektrischer Leistung in Strahlungsleistung gegenüber einem Bauelement mit lediglich einem aktiven Bereich im Halbleiterkörper erhöht werden.
Alternativ oder ergänzend kann der Pumpstrom auch nicht über den Resonator-Braggspiegel 11 und/oder 12 bzw. das Substrat 3 zu den aktiven Bereichen geleitet werden. Hierfür ist einer oder eine Mehrzahl von sogenannten Intra-Cavity-Kontakten, d.h. ein Kontakt, mittels dem Strom innerhalb des Resonators, insbesondere zwischen einem Resonator-Endspiegel und dem diesem nächstliegenden aktiven Bereich, in den Halbleiterkörper injiziert wird. Der vom Pumpstrom zu überwindende Widerstand kann so verringert werden. Ein Resonator-Endspiegel, dem der Intra-Cavity-Kontakt nachgeordnet ist, kann dann gegebenenfalls als undotierter Braggspiegel ausgeführt sein. Alternativ kann auch ein elektrisch isolierender, dielektrischer Spiegelschichtstapel, der bevorzugt auf dem Halbleiterkörper ausgebildet ist, als Resonator-Endspiegel eingesetzt werden.
Der Tunnelübergang 5 ist bevorzugt als im Betrieb des Halbleiterbauelements in Durchlassrichtung für die aktiven Berei che 4a und 4b, insbesondere bezüglich der Kontakte 13 und 14, als in Sperrrichtung gepolte Diode ausgeführt.
Der Tunnelübergang umfasst beispielsweise zwei Tunnelschichten 51 und 52 unterschiedlichen Leitungstyps. Die Tunnelschicht 52 weist bevorzugt den gleichen Leitungstyp, insbesondere n-leitend, auf wie eine seitens der Tunnelschicht 52, d.h. an der der Tunnelschicht 51 abgewandten Seite der Tunnelschicht 52, an den Tunnelübergang 5 angrenzende Halbleiterschicht des Braggspiegels 7 auf. Besonders bevorzugt weist die Tunnelschicht 52 eine höhere Dotierstoffkonzentration (z. B. n⁺) als diese angrenzende Halbleiterschicht auf. Entsprechendes gilt für die Tunnelschicht 51 (z. B. p⁺) bezüglich einer seitens dieser Tunnelschicht 51 an den Tunnelübergang 5 angrenzenden, insbesondere p-leitenden, Halbleiterschicht des Braggspiegels 8 des frequenzselektiven Elements.
Die Tunnelschichten 51 und 52 weisen bevorzugt jeweils eine Dicke von 30 nm oder weniger, besonders bevorzugt 20 nm oder weniger, auf. Die Tunnelschichten 51 und 52 können eine Dotierstoffkonzentration von beispielsweise 5 × 10¹⁹cm^–3 oder mehr, bevorzugt von 1 × 10²⁰cm^–3 oder mehr, aufweisen. (Al) GaAs-Schichten mit einem Al-Gehalt von 20% oder weniger sind für die jeweilige Tunnelschicht besonders geeignet.
Die Resonatorlänge beträgt bevorzugt n·(λ/2), wobei λ die Wellenlänge der im Resonator zu verstärkenden Strahlung und n eine natürliche Zahl bezeichnet. n ist bevorzugt größer oder gleich 3. n ist weiterhin bevorzugt derart gewählt, dass die Resonatorlänge kleiner oder gleich 6 λ pro aktivem Bereich des Halbleiterbauelements ist.
Die innerhalb des Resonators angeordneten Elemente des Halbleiterkörpers 2, d.h. alle Halbleiterelemente bis auf die Resonator-Endspiegel, können – abgesehen von den aktiven Bereichen 4a und 4b – bis auf gegebenenfalls unterschiedliche Leitungstypen und/oder Dotierstoffkonzentrationen die gleiche Materialzusammensetzung aufweisen. Insbesondere können der Tunnelübergang 5 und die angrenzenden Halbleiterelemente bis auf die Dotierstoffkonzentration die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Brechungsindexsprünge innerhalb dieser Elemente im gemeinsamen Resonator mit damit einhergehender vermehrter Reflexion an Grenzflächen können so vermindert werden.
Alternativ können für die innerhalb des Resonators angeordneten Elemente, d.h. insbesondere für den Tunnelübergang und die angrenzenden Halbleiterelemente, jeweils verschiedene Materialien eingesetzt werden. Die Freiheitsgrade für das Ausbilden dieser Elemente sind so erhöht.
Auch Kombinationen aus derart gleichartiger Ausbildung und verschiedener Ausbildung der einzelnen Halbleiterelemente im Resonator sind möglich. Beispielsweise können alle Elemente zwischen dem Resonator-Endspiegel 12 und dem Tunnelübergang 5, gegebenenfalls einschließlich des Tunnelübergangs, bis auf den dort angeordneten aktiven Bereich, gleiche Materialzusammensetzung aufweisen. Die zwischen dem Tunnelübergang 5 und dem Resonator-Endspiegel 11 angeordneten Elemente des Halbleiterkörpers 2 können verschiedene Materialzusammensetzungen aufweisen.
Weiterhin sind die aktiven Bereiche bevorzugt gleichartig, insbesondere mit gleichen Materialien und/oder dem gleichen strukturellen Aufbau ausgebildet. Vorzugsweise sind die akti ven Bereiche zur Erzeugung von Strahlung gleicher Wellenlänge ausgeführt.
Bevorzugt umfassen die aktiven Bereiche ferner jeweils eine Ein- oder Mehrfach-Quantentopfstruktur. Diese Strukturen zeichnen sich durch besonders hohe interne Quanteneffizienzen bei der Umwandlung von elektrischer Leistung in Strahlungsleistung aus. Die Verstärkung von Strahlung im Halbleiterkörper bezogen auf die Ladungsträgerdichte kann so vereinfacht vergrößert werden.
Der Halbleiterkörper ist weiterhin bevorzugt derart ausgebildet, dass jeweils ein Intensitätsmaximum (Intensitätsbauch) 18 einer Intensitätsverteilung des sich im Resonator ausbildenden und in den aktiven Bereichen zu verstärkenden Strahlungsfeldes, insbesondere einer vorgegebenen Mode dieses Strahlungsfeldes, in dem aktiven Bereich 4a bzw. 4b angeordnet ist. Die Intensitätsverteilung 17 im Resonator ist in 1 lediglich schematisch und normiert dargestellt.
Alternativ oder zusätzlich kann einer oder eine Mehrzahl von aktiven Bereichen auch gezielt außerhalb eines Intensitätsbauchs angeordnet sein. Hierzu kann die Dicke eines p-leitenden Bereichs in Bereichen vergleichsweise hoher Strahlungsintensität im Halbleiterkörper verringert werden und die Dicke eines n-leitenden Bereichs, insbesondere für eine vorgegebene Resonatorlänge, entsprechend vergrößert werden. In einem p-leitenden Bereich ist die Absorption von Strahlung durch freie Ladungsträger oftmals besonders groß und insbesondere größer als in einem n-leitenden Bereich. Insbesondere gilt dies im AlGaAs-Materialsystem.
Der jeweilige aktive Bereich ist bevorzugt derart zum nächstliegenden Intensitätsbauch versetzt angeordnet, dass dieser in Richtung eines n-leitenden Halbleiterbereichs verschoben ist oder in diesem liegt. Hierfür kann ein gegegebenenfallszusätzlicher n-leitender Bereich, z. B. der Braggspiegel 7 oder der Halbleiterbereich 9a, entsprechend dicker ausgeführt sein. Auch hierüber kann trotz der Anordnung des aktiven Bereichs außerhalb eines Intensitätsbauchs die Effizienz des Halbleiterbauelements vorteilhaft erhöht werden, da Strahlung im Resonator kürzer durch p-leitendes Halbleitermaterial läuft.
Der Halbleiterkörper 2 ist weiterhin bevorzugt derart ausgebildet, dass ein Intensitätsknoten 20 der Intensitätsverteilung 17 innerhalb des Tunnelübergangs 5 angeordnet ist. Die Absorption von Strahlung durch freie Ladungsträger im Tunnelübergang 5, der diesbezüglich in der Regel ein vergleichsweise hohes Absorptionsvermögen zeigt, kann so vermindert werden. Hierdurch wird die Konversionseffizienz und insbesondere auch die über die Emissionsoberfläche 200 ausgekoppelte Strahlungsleistung vereinfacht erhöht.
Ferner wird die differenzielle Effizienz dP_opt/dI, mit der ausgekoppelten Strahlungsleistung P_opt und dem injizierten Strom I, und/oder die differenzielle Verstärkung dg/dn, mit der Verstärkung g ("gain") und der Ladungsträgerdichte n, vorteilhaft erhöht.
Über die Braggspiegel 7 und 8 des frequenzselektiven Elements 6 werden durch Reflexion im Halbleiterkörper zusätzliche Phasenbedingungen im Resonator geschaffen. Bevorzugt sind die Braggspiegel derart ausgebildet, dass die Intensität innerhalb des frequenzselektiven Elements und damit auch im Be reich des Tunnelübergangs gemindert ist. Insbesondere kann eine einhüllende Kurve der Intensitätsverteilung des Feldes stehender Wellen im Halbleiterkörper mittels des frequenzselektiven Elements derart geformt werden, dass diese einhüllende Kurve ein lokales Minimum innerhalb des frequenzselektiven Elements, insbesondere zwischen den Braggspiegeln des Elements, aufweist. Bevorzugt ist der Tunnelübergang derart im Halbleiterkörper angeordnet, dass er in einer Umgebung des mittels des frequenzselektiven Elements erzeugten lokalen Minimums, insbesondere zwischen zwei lokalen Maxima, der einhüllenden Kurve der Intensitätsverteilung 17 im Halbleiterkörper 2, angeordnet ist. Bevorzugt ist der Tunnelübergang derart angeordnet, dass das lokale Minimum der einhüllenden Kurve in dem Tunnelübergang liegt. Die Fertigungstoleranzen bei der Ausbildung des Tunnelübergangs werden so erhöht, da auch bei einer geringen Abweichung der Anordnung des Tunnelübergangs von der optimalen Anordnung in einem Intensitätsknoten die im Tunnelübergang absorbierbare Strahlungsleistung aufgrund der modulierten Intensitätsverteilung vorteilhaft gering ist. Eine Reflektivität der Braggspiegel 7 und 8 von 30% oder mehr, bevorzugt von 40% oder mehr, für im Resonator zu verstärkende Strahlung der Wellenlänge λ ist zur Intensitätsmodulation besonders geeignet.
Bevorzugt weisen die Braggspiegel 7 und 8 des frequenzselektiven Elements eine Reflektivität von 95% oder weniger oder 90% oder weniger, besonders bevorzugt von 80% oder weniger, für die in den aktiven Bereichen 4a und 4b zu verstärkende Strahlung auf. Das Anschwingen von Laser-Submoden in Subresonatoren zwischen dem Braggspiegel 7 und dem Resonator-Endspiegel 11 bzw. dem Braggspiegel 8 und dem Resonator-Endspiegel 12 kann so verhindert werden.
Der Resonator ist demnach insbesondere als gemeinsamer Resonator für die aktiven Bereiche 4a und 4b und nicht als Übereinanderanordnung separater Resonatoren ausgebildet. Ein nachteiliger Einfluss der Braggspiegel des frequenzselektiven Elements auf die Lasereigenschaften des Halbleiterbauelements kann so vermieden werden.
Die Einzelschichten des jeweiligen Braggspiegels des frequenzselektiven Elements können alternativ oder ergänzend auch als λ₁/4-Schichten für Strahlung einer Wellenlänge λ₁ ausgebildet sein, die von der Wellenlänge λ der mittels des Resonators zu verstärkenden Strahlung, für die die Resonator-Endspiegel zweckmäßigerweise hochreflektiv ausgebildet sind, abweicht. Diese Abweichung kann bis zu 10% betragen.
Weiterhin kann das frequenzselektive Element alternativ oder zusätzlich, etwa als monolithisch in den Halbleiterkörper integriertes, etalonartiges Element, zur longitudinalen Modenselektion ausgebildet sein. Ein longitudinal monomodiger Betrieb des Halbleiterbauelements wird so gefördert.
2 zeigt eine Simulation für einen Teil des Intensitätsverlaufs der einhüllenden Kurve einer, insbesondere im Resonator zu verstärkenden, longitudinalen Mode des Feldes stehender Wellen im Halbleiterkörper in Abhängigkeit vom Abstand zur Emissionsoberfläche 200 für einen Halbleiterkörper mit einem frequenzselektiven Element (Kurve 600) und einen entsprechenden Halbleiterkörper ohne frequenzselektives Element 6 (Kurve 700). Für die Kurven 600 und 700 ist jeweils noch die Intensitätsverteilung 601 bzw. 701 der Mode des Feldes stehender Wellen im Halbleiterkörper, die die jeweilige einhüllende Kurve 600 bzw. 700 bestimmt, dargestellt. Weiterhin sind die Brechungsindizes der der Simulation zu Grunde geleg ten einzelnen Schichten des Halbleiterkörpers im jeweiligen Abstand zur Emissionsoberfläche schematisch angedeutet.
Der Simulation wurde eine Abfolge von 25 Halbleiterschichtenpaaren für den Resonator-Braggspiegel 12, Schichten für den aktiven Bereich 4b, 13 Halbleiterschichtenpaaren für den Braggspiegel 8 des frequenzselektiven Elements, 13 Halbleiterschichtenpaaren für den Braggspiegel 7 des frequenzselektiven Elements, Schichten für den aktiven Bereich 4a und 25 Halbleiterschichtenpaaren für den Resonator-Braggspiegel 11 zugrunde gelegt. Die Einzelschichten der Halbleiterschichtenpaare des jeweiligen Braggspiegels weisen jeweils den gleichen Brechungsindexunterschied von 0,5 (= 3,5 – 3,0) auf.
Die aktiven Bereiche 4a und 4b sind jeweils im Bereich eines lokalen Maximums 603a bzw. 603b der einhüllenden Kurve 600 der Intensitätsverteilung 601 und insbesondere in einem Maximum des Feldes stehender Wellen 601 angeordnet. Der Tunnelübergang 5 ist um ein lokales Minimum 602 der Kurve 600 zwischen den aktiven Bereichen 4a und 4b angeordnet. Entsprechend der gestrichelt und mit Kreisen gekennzeichneten Kurve 700 weist ein Halbleiterkörper ohne ein frequenzselektives Element kein lokales Minimum zwischen den aktiven Bereichen auf. Der Tunnelübergang wäre vielmehr in einem Maximum der einhüllenden Kurve 700 der entsprechenden Intensitätsverteilung 701 des Stehwellenfeldes angeordnet, das zwischen den aktiven Bereichen 4a und 4b verläuft, und sich insbesondere vom aktiven Bereich 4a bis zum aktiven Bereich 4b erstreckt. Die zur Absorption im Tunnelübergang zur Verfügung stehende Strahlungsleistung kann mittels des frequenzselektiven Elements somit verringert werden, wodurch die Konversionseffizienz und insbesondere auch die aus dem Halbleiterbauelement ausgekoppelte Strahlungsleistung erhöht werden kann.
3 zeigt eine schematische Schrittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1. Im Wesentlichen entspricht das in 3 gezeigte Halbleiterbauelement dem im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Halbleiterbauelement. Im Unterschied hierzu weist das Halbleiterbauelement einen weiteren Tunnelübergang 21, eine Stromblende 23 und eine weitere Stromblende 22 auf.
Die Stromblende 23 ist in dem, vorzugsweise p-leitenden, Braggspiegel 8 des frequenzselektiven Elements 6, der auf der der Emissionsoberfläche 200 abgewandten Seite des Tunnelübergangs angeordnet ist, integriert und zwischen den aktiven Bereichen 4a und 4b angeordnet. Vorzugsweise ist die Stromblende 23 in einer den Braggspiegel 8 auf der dem Tunnelübergang 5 abgewandten Seite abschließenden Schicht ausgebildet.
Die weitere Stromblende 22 ist in einer Halbleiterschicht des zwischen dem ersten Kontakt 13, insbesondere der Emissionsoberfläche 200, und dem nächstliegenden aktiven Bereich 4a angeordneten, z. B. p-leitenden, Halbleiterbereichs 10a integriert.
Die Stromblenden 22 und 23 sind bevorzugt jeweils als Oxidblende ausgeführt. Hierzu wird beispielsweise eine (Al)GaAs-Schicht mit hohem Aluminiumgehalt, vorzugsweise 80% oder größer lateral oxidiert, sodass in einem Zentralbereich ein nicht oxidierter Bereich (vgl. die stromführenden Aperturen 22a bzw. 23a in der jeweiligen Stromblende) hoher Leitfähigkeit und im Randbereich des Halbleiterkörpers 2 ein, insbesondere ringartiger, oxidierter Bereich geringer Leitfähigkeit ausgebildet wird. Der Stromfluss im Halbleiterkörper kann mittels der Stromblenden auf den Zentralbereich des Halbleiterkörpers konzentriert werden, wodurch sowohl eine Schwellstromdichte vereinfacht erreicht, als auch die Gefahr nichtstrahlender Rekombination in Randbereichen des Halbleiterkörpers verringert wird.
Über zwei Stromblenden auf jeweils verschiedenen Seiten eines aktiven Bereichs kann der Strompfad im Halbleiterkörper sowohl für die Zuleitung vom Kontakt 13 zum aktiven Bereich 4a mittels der Stromblende 22, als auch der Strompfad zwischen den aktiven Bereichen 4a und 4b effizient eingeschnürt werden. Einer lateralen Stromaufweitung zwischen den aktiven Bereichen kann insbesondere mittels der Stromblende 23 vorgebeugt werden. Für das vereinfachte Ausbilden von gleichgroßen, einander gegenseitig überdeckender Aperturen weisen die Schichten, in denen die Stromblenden jeweils ausgebildet sind, vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung, den gleichen Leitungstypen und/oder die gleiche Dicke auf.
Anstatt ein Halbleitermaterial für eine Stromblende mittels Oxidation elektrisch zu veröden, kann eine Stromblende auch mittels elektrischer Verödung durch Implantation, z. B. Protonenimplantation, im Halbleiterkörper ausgebildet werden. Um den Stromfluss im Halbleiterkörper lateral zu begrenzen, kann der Halbleiterkörper ferner auch in einem Bereich über Ätzen in eine für die jeweilige Schwellstromdichte geeignete, verringerte laterale Abmessung strukturiert werden (Mesa-Ätzen). Auch über eine derartige Maßnahme kann die laterale Strombegrenzung unterstützt oder erzielt werden. Bevorzugt ist die weitere Stromblende 22 um einen Intensitätsknoten 20 angeordnet. Streuung von Strahlung, die aufgrund der Streuung mit erhöhter Wahrscheinlichkeit nicht in den aktiven Bereichen verstärkt wird, an der nicht der Strahlungserzeugung dienenden Stromblende kann so vermindert werden. Die Stromblende 23 kann gegebenenfalls auch um einem Intensitätsknoten angeordnet sein (nicht dargestellt).
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2, weisen als Resonator-Braggspiegel ausgeführte Resonator-Endspiegel 11 und 12 vorzugsweise den gleichen Leitungstypen, insbesondere n-leitend, auf. Die Absorption von Strahlung durch freie Ladungsträger im Braggspiegel kann so gegenüber einem p-leitenden Braggspiegel verringert werden. Um die elektrische Anbindung des Resonator-Braggspiegels 11 an den Halbleiterbereich 10a, der bevorzugt einen von dem des Resonator-Braggspiegels verschiedenen Leitungstypen aufweist, nicht über einen im Betrieb des Bauelements in Sperrichtung gepolten pn-Übergang, etwa zwischen den Halbleiterbereichen 9c und 10a, mit einer hohen Potentialbarriere zu verschlechtern, ist zwischen dem Resonator-Braggspiegel 11 und dem diesem nächstliegenden aktiven Bereich 4a ein zusätzlicher Tunnelübergang 21 angeordnet. Dieser kann entsprechend dem Tunnelübergang 5 ausgeführt sein.
Alternativ können die Resonator-Braggspiegel 11 und 12 auch verschiedene Leitungstypen aufweisen. In diesem Falle kann auf den weiteren Tunnelübergang 21 und vorzugsweise den Halbleiterbereich 9c verzichtet werden. Die Stromblende 22 ist dann bevorzugt in dem, insbesondere p-leitenden, Reonator-Braggspiegel 11, besonders bevorzugt auf dessen dem aktiven Bereich 4a zugewandten Seite, integriert. Die Ausbildung der Stromblenden in Schichten des jeweiligen Braggspiegels 11 bzw. 8, die bevorzugt gleiche Leitungstypen und/oder die gleiche Zusammensetzung aufweisen, wird so erleichtert.
4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbau elements 1. Im Wesentlichen entspricht das in 4 gezeigte Halbleiterbauelement dem im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Halbleiterbauelement. Im Unterschied hierzu ist das Halbleiterbauelement als sogenannter Bottom-Emitter ausgebildet. Die Strahlung 19 verlässt den Halbleiterkörper 2 also über die dem Substrat 3 zugewandte Seite des Halbleiterkörpers und tritt durch den Bereich des Substrats 3 hindurch. Dieses ist hierzu bevorzugt strahlungsdurchlässig ausgeführt. Als Auskoppelspiegel dient hierbei zweckmäßigerweise der Resonator-Endspiegel 12, der dem Substrat 3 zugewandt ist. Gegebenenfalls kann das Substrat 3 für den Strahlungsdurchtritt auch – vollständig oder bereichsweise – entfernt oder gedünnt sein. Der zweite Kontakt 14 ist für den Strahlungsdurchtritt entsprechend dem ersten Kontakt 13 gemäß 1 vorzugsweise als Ringkontakt ausgeführt. Der zweite Resonator-Endspiegel 12 weist als Auskoppelspiegel zweckmäßigerweise eine geringere Reflektivität auf als der Resonator-Endspiegel 11.
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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Insbesondere ist die Erfindung nicht als auf ein Halbleiterbauelement mit nur zwei aktiven Bereichen beschränkt anzusehen. Vielmehr kann auch eine größere Anzahl von aktiven Bereichen, vorzugsweise in einem gemeinsamen Resonator, vorgesehen sein. Diese aktiven Bereiche sind vorzugsweise jeweils paarweise durch einen zwischen je zwei aktiven Bereichen an geordneten Tunnelübergang, gegebenenfalls jeweils mit einem den Tunnelübergang umgebenden frequenzselektiven Element, in Serie elektrisch leitend verbunden. Beispielsweise können bis zu zehn aktive Bereiche vorgesehen sein. Auf diese Weise kann die Effizienz des Halbleiterbauelements gegebenenfalls weitergehend erhöht werden.
Ferner kann auch eine ein- oder zweidimensionale, lineare bzw. flächige, vorzugsweise matrixartige, Anordnung von Halbleiterbauelementen als von der Erfindung umfasst angesehen werden. Bevorzugt ist diese Anordnung monolithisch integriert, d.h. mittels epitaktischen Aufwachsens einer Halbleiterschichtenfolge für die Halbleiterkörper der verschiedenen Halbleiterbauelemente und vorzugsweisen Ausbildens der Bauelemente auf einem einzelnen Aufwachssubstrat, ausgeführt. Hierdurch kann eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen mit geringem Abstand auf kleinem Raum konzentriert werden.

Claims

Oberflächenemittierendes Halbleiterbauelement (1) mit einer vertikalen Emissionsrichtung, das einen Halbleiterkörper (2) mit einer Mehrzahl von zur Erzeugung von Strahlung geeigneten, in vertikaler Richtung voneinander beabstandet angeordneten aktiven Bereichen (4a, 4b) umfasst, wobei ein frequenzselektives Element (6) im Halbleiterkörper ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem das frequenzselektive Element (6) zwischen zwei aktiven Bereichen (4a, 4b) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das frequenzselektive Element (6) derart ausgebildet ist, dass die Intensität der erzeugten Strahlung im Halbleiterkörper (2) innerhalb des frequenzselektiven Elements gemindert ist.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen zwei aktiven Bereichen (4a, 4b) ein Tunnelübergang (5) im Halbleiterkörper (2) monolithisch integriert ist und die beiden aktiven Bereiche mittels des Tunnelübergangs im Betrieb des Halbleiterbauelements (1) elektrisch leitend verbunden sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem der Tunnelübergang (5) vom frequenzselektiven Element (6) umgeben ist.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das frequenzselektive Element (6) einen Braggspiegel (7, 8) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, bei dem das frequenzselektive Element einen weiteren Braggspiegel (7, 8) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Braggspiegel (7, 8) und/oder der weitere Braggspiegel (7, 8) eine Reflektivität von 95% oder weniger, bevorzugt 90% oder weniger, besonders bevorzugt 80% oder weniger, aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei dem die beiden Braggspiegel (7, 8) unterschiedliche Leitungstypen aufweisen.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das frequenzselektive Element (6) monolithisch im Halbleiterkörper (2) integriert ist.
Halbleiterbauelement nach zumindest den Ansprüchen 4 und 7 oder einem auf diese Ansprüche rückbezogenen Anspruch, bei dem der Tunnelübergang zwischen den beiden Braggspiegeln (7, 8) des frequenzselektiven Elements angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen zwei aktiven Bereichen (4a, 4b) eine Strom blende (23) ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen internen Resonator aufweist oder für den Betrieb mit einem externen Resonator ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem zwei aktive Bereiche (4a, 4b) als Verstärkungsbereiche innerhalb des Resonators angeordnet sind und der Resonator als gemeinsamer Resonator für beide aktive Bereiche ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Halbleiterbauelement (1) zum Betrieb als elektrisch gepumptes Halbleiterlaserbauelement ausgeführt ist.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Halbleiterbauelement (1) als VCSEL ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem der Resonator mittels eines ersten Resonatorspiegels (11, 12) und eines zweiten Resonatorspiegels (11, 12) gebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, bei dem ein Pumpstrom für das elektrische Pumpen durch den ersten Resonatorspiegel (11, 12) und/oder den zweiten Resona torspiegel (11, 12) fließt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 17 oder 18, bei dem der erste Resonatorspiegel (11, 12) und/oder der zweite Resonatorspiegel (11, 12) als Braggspiegel ausgeführt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, bei dem zumindest ein Resonatorspiegel (11, 12) dotiert ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 19 oder 20, bei dem die Resonatorspiegel (11, 12) eine der folgenden Ausgestaltungen aufweisen: gleicher Leitungstyp, verschiedener Leitungstyp.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem beide Resonatorspiegel (11, 12) n-leitend ausgeführt sind.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwei aktive Bereiche (4a, 4b) eine Quantentopfstruktur umfassen.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 23, bei dem der Halbleiterkörper (2) derart ausgebildet ist, dass ein sich im Betrieb des Halbleiterbauelements innerhalb des Resonators ausbildendes Strahlungsfeld (17), ein Intensitätsminimum (20) innerhalb des Tunnelübergangs aufweist.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 24, bei dem der Tunnelübergang (5) zwei Tunnel-Halbleiterschichten (51, 52) unterschiedlichen Leitungstyps aufweist.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper ein III-V-Halbleitermaterial, insbesondere ein Material aus den III-V-Halbleitermaterialsystemen In_x Ga_y Al_1-x-y P, In_x Ga_y Al_1-x-y N oder In_x Ga_y Al_1-x-y As, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, enthält.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper ein III-V-Halbleitermaterial, insbesondere ein Material aus den III-V-Halbleitermaterialsystemen InGaAsN, InGaAsSb, InGaAsSbN oder In_x Ga_1-x As_y P_1-y mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1, enthält.