-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement
sowie eine Laservorrichtung.
-
Bei
elektrisch betriebenen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen
ist die Konversionseffizienz, d.h. das Verhältnis von im Bauelement erzeugter
Strahlungsleistung zu der dem Bauelement mittels des Betriebsstroms
zugeführten
elektrischen Leistung von erheblicher Bedeutung. Häufig wird
nur ein vergleichsweise geringer Anteil der zugeführten elektrischen
Leistung in Strahlungsleistung umgewandelt. Die nicht in Strahlungsleistung
umgewandelte elektrische Verlustleistung wird beispielsweise in
Wärme umgewandelt
und ist für
die Strahlungserzeugung verloren.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement
anzugeben, das vereinfacht effizienter betreibbar ist. Ferner soll
eine effiziente Laservorrichtung angegeben werden.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw.
eine Laservorrichtung mit den Merkmalen des Patenanspruchs 25 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen
Patentansprüche.
-
Ein
erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement
ist als oberflächenemittierendes
Halbleiterbauelement mit einer vertikalen Emissionsrichtung ausgebildet
und weist einen Halbleiterkörper
mit einer Mehrzahl von zur Strahlungserzeugung geeigne ten, voneinander
beabstandet angeordneten aktiven Bereichen auf, wobei zwischen zwei
aktiven Bereichen ein Tunnelübergang
monolithisch im Halbleiterkörper integriert
ist, die beiden aktiven Bereiche mittels des Tunnelübergangs
im Betrieb des Halbleiterbauelements elektrisch leitend verbunden
sind und das Halbleiterbauelement zum Betrieb mit einem externen
Resonator vorgesehen ist.
-
Ein
derartiges Halbleiterbauelement hat den Vorteil, dass aufgrund der
Mehrzahl von aktiven Bereichen die im Halbleiterkörper erzeugte
Strahlungsleistung und dementsprechend die aus dem Halbleiterbauelement
ausgekoppelte Strahlungsleistung vereinfacht erhöht werden kann. Zudem kann
die Konversionseffizienz von in den Halbleiterkörpern injizierten Ladungsträgern in
Strahlung (Photonen) mittels der über den Tunnelübergang
elektrisch leitend verbundenen aktiven Bereiche erhöht werden.
Ein in einem aktiven Bereich unter Strahlungserzeugung rekombinierendes
Elektron, welches in diesem aktiven Bereich hierbei vom Leitungsband
in das Valenzband übergeht,
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 zweiten aktiven Bereich gelangen. Der
Tunnelübergang
ist bevorzugt derart ausgebildet, dass Elektronen aus dem Valenzband
des einen aktiven Bereichs ins Leitungsband des anderen aktiven
Bereichs tunneln und somit wiederum zur Strahlungserzeugung in dem
weiteren aktiven Bereich genutzt werden können. Ein Ladungsträger kann
somit mehrfach, d.h. in einer Mehrzahl von aktiven Bereichen, zur
Strahlungserzeugung genutzt werden.
-
Insgesamt
kann so bei gleichbleibender, dem Bauelement zugeführter elektrischer
Leistung die im Halbleiterkörper
erzeugte und damit insbesondere auch die aus dem Halbleiterbauelement
ausgekoppelte Strahlungsleistung gegenüber einem Halbleiterkörper mit
einer geringeren-Anzahl an aktiven Bereichen erhöht werden. Weiterhin kann mit
Vorteil die aus dem Halbleiterbauelement, insbesondere dem Halbleiterkörper, ausgekoppelte
Strahlungsleistung bezogen auf den Flächeninhalt einer Strahlungsauskoppelfläche des
Halbleiterkörpers,
der bevorzugt gleich dem eines Halbleiterkörpers mit nur einem aktiven
Bereich ist, erhöht
werden. Das Halbleiterbauelement weist somit insgesamt erhöhte Konversionseffizienz
auf.
-
Unter
einer vertikalen Emissionsrichtung kann hierbei im Zweifel eine
Emissionsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche, insbesondere
einer Hauptfläche,
der aktiven Bereiche, die bevorzugt parallel zueinander im Halbleiterkörper angeordnet
sind, verstanden werden.
-
Eine
erfindungsgemäße Laservorrichtung umfasst
ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement
und einen mittels eines dem Halbleiterbauelement zugeordneten externen
Spiegels gebildeten externen Resonator.
-
Der
externe Resonator, d.h. ein Resonator, der mittels zumindest eines
Elements das, z.B. mittels eines Freiraums, vom Halbleiterbauelement
beabstandet ist, gebildet ist, ist zur Erzeugung hoher Strahlungsleistung
und für
einen gerichteten Austritt von Strahlung aus dem Resonator besonders
geeignet.
-
Zudem
können
in einem externen Resonator verglichen mit einem internen Resonator
vereinfacht ein oder eine Mehrzahl von weiteren Elementen angeordnet
werden. Diese können,
wie z.B. ein Etalon, der, insbesondere longitudinalen, Modenselektion dienen.
-
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 im externen Resonator ein frequenzkonvertierendes,
bevorzugt ein frequenzvervielfachendes, besonders bevorzugt ein
frequenzverdoppelndes Element angeordnet. Mittels eines derartigen
Elements kann langwellige in kurzwellige Strahlung, z.B. nicht sichtbare Strahlung,
etwa infrarote Strahlung, in sichtbare Strahlung konvertiert werden.
Ein nichtlineares optisches Element, z.B. ein nichtlinearer Kristall,
ist zur Frequenzkonversion, insbesondere zur Frequenzverdopplung,
besonders geeignet.
-
Bevorzugt
ist das Halbleiterbauelement zum Betrieb als elektrisch gepumptes
Halbleiterlaserbauelement, insbesondere als VECSEL (VECSEL: Vertical
External Cavity Surface Emitting Laser) oder auch Scheibenlaser,
ausgebildet.
-
Der
externe Resonator des Halbleiterlaserbauelements kann mittels eines
ersten Spiegels und eines zweiten Spiegels gebildet sein, die bevorzugt den
externen Resonator begrenzen. Hierbei ist einer der Spiegel für den externen
Resonator als _ externer Spiegel ausgeführt. Bevorzugt weist das Halbleiterbauelement
zur Bildung des Resonators einen internen Spiegel auf. Einer der
Resonatorspiegel ist daher bevorzugt als interner Spiegel ausgeführt.
-
Im
Betrieb des Halbleiterlaserbauelements 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. Diese verstärkte
Strahlung kann als kohärente
Laserstrahlung aus dem Resonator auskoppeln.
-
Zwei
aktive Bereiche des Halbleiterbauelements sind bevorzugt als Verstärkungsbereiche
zum gemeinsamen Betrieb innerhalb des externen Resonators vorgesehen.
Der Resonator ist insbesondere bevorzugt als gemeinsamer Resonator
für eine Mehrzahl
von aktiven Bereichen, die als Verstärkungsbereiche ausgebildet
und innerhalb des Resonators angeordnet sind, ausgebildet. Dies
betrifft insbesondere die beiden über den Tunnelübergang,
vorzugsweise in Serie, elektrisch leitend verbundenen aktiven Bereiche.
Eine Mehrzahl an Verstärkungsbereichen
in einem gemeinsamen Resonator erleichtert die Erhöhung der
Verstärkung
im Halbleiterkörper und
zudem den Betrieb des Bauelements als Hochleistungsbauelement, insbesondere
als Hochleistungs-Halbleiterlaserbauelement, z. B. als VECSEL.
-
Spiegel,
mittels derer der Resonator gebildet ist, sind bevorzugt mit einer
hohen Reflektivität,
beispielsweise von 98% oder größer ausgebildet,
wobei einer der Spiegel, vorzugsweise ein externer Spiegel, der
als Auskoppelspiegel von Strahlung aus dem Resonator dient, bevorzugt
eine entsprechend geringere Reflektivität aufweist. Die Reflektivität des Auskoppelspiegels
ist hierbei zweckmäßigerweise
derart groß gewählt, dass
im Betrieb des Bauelements Lasertätigkeit erreichbar ist.
-
Über eine
Mehrzahl von Verstärkungsbereichen
innerhalb eines gemeinsamen Resonators kann die Verstärkung von
Strahlung innerhalb des Resonators und insbesondere des Halbleiterkörpers erhöht werden.
Aufgrund der erhöhten
Verstärkung kann
der zum Erreichen der Lasertätigkeit
erforderliche Schwellstrom bzw. die Schwellstromdichte verringert
werden, sodass sich auch bei geringeren Strömen bzw. Stromdichten bereits
Lasertätigkeit
einstellen kann.
-
Alternativ
oder ergänzend
kann die Reflektivität
eines Spiegels, mittels dessen der Resonator gebildet ist, verringert
werden, wobei trotz der verringerten Reflektivität aufgrund der erhöhten Verstärkung über die
Mehrzahl von aktiven Bereichen noch zuverlässig Lasertätigkeit erreicht werden kann. Zweckmäßigerweise
wird hierbei die Reflektivität
des als Auskoppelspiegel dienenden Spiegels, z.B. des externen Spiegels,
verringert, sodass die aus dem Resonator ausgekoppelte Strahlungsleistung
ohne maßgebliche
Erhöhung
des Schwellstroms gesteigert werden kann.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist einer der Spiegel,
mittels derer der Resonator gebildet oder begrenzt ist, insbesondere
der interne Spiegel, als Braggspiegel ausgeführt. Dieser Resonator-Braggspiegel
ist weiterhin bevorzugt dotiert und/oder monolithisch in den Halbleiterkörper integriert.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung fließt ein Pumpstrom zum elektrischen
Pumpen des Halbleiterlaserbauelements durch einen der Spiegel, mittels
dessen der Resonator gebildet ist, insbesondere den internen Spiegel.
-
Der
elektrische Widerstand eines den Pumpstrom leitenden Spiegels wird
aufgrund der Mehrzahl an aktiven Bereichen in einem gemeinsamen
Resonator auf die Mehrzahl von aktiven Bereichen verteilt, sodass
der vom Pumpstrom zu überwindende
elektrische Widerstand bezogen auf die Anzahl an aktiven Bereichen
gegenüber
einem gleichartigen Halbleiterbauelement mit einer geringeren Anzahl
an aktiven Bereichen verringert ist.
-
Von
besonderer Bedeutung ist dies, falls der den Pumpstrom leitende
Spiegel als Braggspiegel ausgeführt
ist.
-
Ein
Braggspiegel umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten
Schichten, insbesondere Halbleiterschichten mit unterschiedlichen
Brechungsindices. 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
zuverlässig
Lasertätigkeit
zu erreichen, beispielsweise 50 oder mehr Halbleiterschichten erforderlich
sein. Der elektrische Widerstand eines Braggspiegels wächst in
der Regel mit der Schichtanzahl aufgrund der steigenden Anzahl an
Grenzflächen.
Daher weist ein Resonator-Braggspiegel
oftmals einen vergleichsweise hohen Widerstand auf. Der Widerstand
eines Halbleiterbauelements mit einem monolithisch in den Halbleiterkörper integrierten
Resonator-Braggspiegel kann
maßgeblich
durch den elektrischen Widerstand des Braggspiegels bestimmt sein.
Aufgrund des hohen Widerstandes des Spiegels erhöht sich demnach aufgrund des
Leistungsabfalls am Braggspiegel gemäß P=RI2 mit
dem Widerstand R, der elektrischen Leistung P und dem Strom I, auch die
für die
Lasertätigkeit
erforderliche, zuzuführende
elektrische Pumpleistung, da am Braggspiegel Leistung abfällt. Aufgrund
der Mehrzahl von aktiven Bereichen, denen ein gemeinsamer Pumpstrom über den
Tunnelübergang
und insbesondere den Braggspiegel zugeführt werden kann, wird der Widerstand
des Halbleiterbauelements pro aktivem Bereich gegenüber einem Halbleiterbauelement
mit weniger aktiven Bereichen verringert. Insgesamt wird so die
Effizienz erhöht.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen dem Resonator-Braggspiegel
und dem diesem nächstliegenden
aktiven Bereich ein weiterer Tunnelübergang monolithisch im Halbleiterkörper integriert.
Der Braggspiegel kann so vereinfacht mit einem vorgegebenen Leitungstyp – p-leitend
oder n-leitend – ausgebildet
werden, wobei weitere, zwischen dem Tunnelübergang und dem dem Braggspiegel
nächstliegenden
aktiven Bereich angeordnete Elemente des Halbleiterkörpers mit
Vorteil vereinfacht gemäß einem
Standardprozess oder einem Standardaufbau, insbesondere mit einem
von demjenigen des Braggspiegels verschiedenen Leitungstyp, ausgebildet
werden können.
Durch geeignete Wahl des Leitungstypen des Braggspiegels kann die
durch freie Ladungsträger
im Braggspiegel erfolgende Absorption von Strahlung im Resonator
vermindert werden. In der Folge wird die für die Verstärkung in den aktiven Bereichen
verfügbare
Strahlungsleistung und somit die Effizienz des Halbleiterbauelements
erhöht. Ein
n-leitender Braggspiegel mit einem dementsprechend nachgeschalteten
Tunnelübergang
ist aufgrund des gegenüber
einem p-leitenden Braggspiegel oftmals geringeren Absorptionsvermögens von Strahlung
durch freie Ladungsträger
hierfür
besonders geeignet.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Resonator und/oder
das Halbleiterbauelement, insbesondere der Halblei terkörper, derart
ausgebildet, dass ein sich im Betrieb des Halbleiterbauelements
innerhalb des Resonators ausbildendes, insbesondere im Halbleiterkörper zu
verstärkendes, Strahlungsfeld
einen Intensitätsknoten,
d.h. ein Minimum in der Intensitätsverteilung
des Stehwellenfeldes, innerhalb des Tunnelübergangs, der die beiden aktiven
Bereiche elektrisch leitend verbindet, aufweist. Bevorzugt weist
eine zu verstärkende
Mode des Strahlungsfeldes einen Intensitätsknoten innerhalb des Tunnelübergangs
auf. Der Resonator weist bevorzugt eine vorgegebene Resonatorlänge auf,
so dass der Halbleiterkörper
für die
vorgegebene Resonatorlänge
derart ausgebildet ist, dass ein Intensitätsknoten innerhalb des Tunnelübergangs
angeordnet ist.
-
In
einem Tunnelübergang
ist das Absorptionsvermögen
von Strahlung aufgrund freier Ladungsträger in der Regel besonders
groß.
Mittels einer Anordnung des Tunnelübergangs um oder in einem Intensitätsknoten
kann die Absorption von Strahlungsleistung im Tunnelübergang
gemindert oder vollständig
vermieden werden.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist ein Tunnelübergang,
insbesondere der zwischen den beiden aktiven Bereichen angeordnete Tunnelübergang
oder ein dem Resonator-Braggspiegel
nachgeschalteter Tunnelübergang,
zwei, insbesondere dotierte, Tunnel-Halbleiterschichten verschiedener
Leitungstypen auf.
-
Bevorzugt
ist der Tunnelübergang
im Halbleiterkörper
zwischen zwei, insbesondere an den Tunnelübergang angrenzenden, Halbleiterschichten unterschiedlichen
Leitungstyps angeordnet. Ferner weist eine Tunnel-Halbleiterschicht
bevorzugt, besonders bevorzugt weisen zwei Tunnel-Halbleiterschichten,
eine Dotierstoffkonzentration auf, die größer ist als die einer an den
Tunnelübergang
angrenzenden Schicht des jeweils gleichen Leitungstyps. Die elektrisch
leitende Verbindung der beiden aktiven Bereiche kann so vereinfacht
mit geringem elektrischen Widerstand ausgeführt werden.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist im Halbleiterkörper ein
frequenzselektives Element ausgebildet. Das frequenzselektive Element kann
zur gezielten Modulation der örtlichen
Intensitätsverteilung
im Resonator ausgebildet sein. Bevorzugt ist das frequenzselektive
Element derart ausgebildet, dass in einem Bereich des Resonators
und insbesondere des Halbleiterkörpers,
außerhalb
der aktiven Bereiche, der ein nachteilig hohes Absorptionsvermögen für Strahlung
aus dem Strahlungsfeld aufweist, über die die zur Verstärkung zu
Verfügung stehende
Strahlungsleistung vermindert würde,
nur eine vergleichsweise geringe Intensität auftreten kann. Insbesondere
kann die einhüllende
Kurve der Intensitätsverteilung
des Strahlungsfeldes, insbesondere die einhüllende Kurve der Intensitätsverteilung einer
zu verstärkenden
Mode des Stehwellenfeldes, im Resonator über das frequenzselektive Element gezielt
geformt und modifiziert 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.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das frequenzselektive
Element zwischen zwei aktiven Bereichen des Halbleiterkörpers angeordnet. Weiterhin
kann das frequenzselekti ve Element monolithisch im Halbleiterkörper integriert
sein. Insbesondere kann das frequenzselektive Element bereits mit
frequenzselektiver Eigenschaft epitaktisch gewachsen sein. Zusätzliche
Modifikationen nach der Epitaxie sind nicht erforderlich.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das frequenzselektive
Element derart ausgeführt, dass
die Intensität
von Strahlung innerhalb des frequenzselektiven Elements, insbesondere
gegenüber einem
Verzicht auf das frequenzselektive Element, gemindert ist.
-
Das
frequenzselektive Element kann einen Braggspiegel und bevorzugt
einen weiteren Braggspiegel umfassen. Der (die) Braggspiegel ist
(sind) vorzugsweise dotiert, sodass die Pumpstromdurchleitung durch
den (die) Braggspiegel erleichtert ist. Besonders bevorzugt weisen
die Braggspiegel unterschiedliche Leitungstypen auf.
-
Weiterhin
ist das frequenzselektive Element bevorzugt frei von einem innerhalb
dieses Elements angeordneten aktiven Bereich.
-
Über das
frequenzselektive Element werden zusätzliche Phasenbedingungen,
insbesondere mittels Reflexion an den Braggspiegeln, für das Strahlungsfeld
im Halbleiterkörper
geschaffen. Die Intensität
des Strahlungsfeldes kann zwischen den Braggspiegeln des frequenzselektiven
Elements mittels Reflexion an diesen Spiegeln vereinfacht verringert werden.
Insbesondere betrifft dies eine Absenkung der einhüllenden
Kurve der Intensitätsverteilung
des Strahlungsfeldes im Halbleiterkörper zwischen den aktiven Bereichen
und insbesondere inner halb des frequenzselektiven Elements gegenüber einem
Halbleiterkörper
ohne ein frequenzselektives Element.
-
Die
einhüllende
Kurve der Intensitätsverteilung
kann 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, aufweisen.
-
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 sein.
-
Bevorzugt
ist der Tunnelübergang,
der die aktiven Bereiche elektrisch leitend verbindet, vom frequenzselektiven
Element umgeben oder in dieses eingebettet. Aufgrund der innerhalb
des frequenzselektiven Elements verminderbaren Strahlungsintensität kann im
Tunnelübergang
nur eine vergleichsweise geringe Strahlungsleistung absorbiert werden.
-
Auch
bei einer Anordnung des Tunnelübergangs
außerhalb
eines Intensitätsknotens
kann die im Tunnelübergang
absorbierbare Strahlungsleistung hierdurch vereinfacht in vertretbarem
Rahmen gehalten werden, insbesondere ohne dass die Lasereigenschaften
eines Halbleiterlaserbauelements maßgeblich beeinträchtigt werden.
So kann zum Beispiel eine Erhöhung
des Schwellstroms trotz eines die aktiven Bereiche elektrisch aneinander
koppelnden, absorbierenden Tunnelübergangs vereinfacht vermieden
oder gemindert werden. Bei der Anordnung des Tunnelübergangs
bzw. der Herstellung des Halbleiterkörpers, der bevorzugt epitaktisch
auf einem Aufwachssubstrat gewach sen ist, ist somit die Fertigungstoleranz
erhöht,
ohne dass die Effizienz wesentlich gemindert würde. Der Bereich zwischen den
Braggspiegeln des frequenzselektiven Elements ist bevorzugt frei
von einem aktiven Bereich.
-
Das
Halbleiterbauelement weist demnach bevorzugt zusätzlich zu einem an der Bildung
des Resonators beteiligten Braggspiegel zumindest einen, vorzugsweise
zwei, weitere im Halbleiterkörper monolithisch
integrierte Braggspiegel auf.
-
Das
frequenzselektiven Element ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet,
dass das Halbleiterlaserbauelement frei von einem Subresonator ist, d.h.
frei von einem aktiven Bereich der einen gegenüber einem weiteren aktiven
Bereich separaten, Lasertätigkeit
erreichenden Resonator aufweist. Hierzu ist (sind) der (die) Braggspiegel
des frequenzselektiven Elements zweckmäßigerweise mit derart geringen
Reflektivitäten
ausgebildet, dass ein Anschwingen von Lasermoden in einem Subresonator
für einen
aktiven Bereich verhindert wird.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Braggspiegel und/oder
der weitere Braggspiegel dafür
eine Reflektivität
von 95% oder weniger, bevorzugt 90% oder weniger, besonders bevorzugt
80% oder weniger, insbesondere für
die in den aktiven Bereichen zu verstärkende Strahlung der Wellenlänge λ, auf. Das
Anschwingen von Subresonatormoden kann so vereinfacht vermindert
werden. 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 ist,
desto geringer ist auch die Gefahr des Anschwingens von Submoden.
Je größer die
Reflektivität
ist, desto besser kann jedoch die Intensitätsverteilung beeinflusst werden.
-
Der
Tunnelübergang
ist mit besonderem Vorteil zwischen den Braggspiegeln des frequenzselektiven
Elements angeordnet.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen zwei aktiven
Bereichen eine Stromblende im Halbleiterkörper angeordnet. Bevorzugt
ist die Stromblende im frequenzselektiven Element, insbesondere
in einem Braggspiegel dieses Elements, angeordnet oder integriert.
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. Eine
Schwellstromdichte für
die Lasertätigkeit
ist so vereinfacht erreichbar. Gegebenenfalls kann diese Stromblende
zusätzlich
zu einer weiteren, z.B. entsprechend ausgeführten, Stromblende, die bevorzugt
zwischen einer Oberfläche
des Halbleiterkörpers
und dem dieser Oberfläche
nächstliegenden
aktiven Bereich angeordnet ist, vorgesehen sein. Einer lateralen
Stromaufweitung im Halbleiterkörper
und insbesondere auch zwischen den aktiven Bereichen kann so mit
Vorteil entgegengewirkt werden. Die Stromblende kann als Oxidblende,
die eine Halbleiterschicht mit einem oxidierten Stromsperrbereich
und einem nicht oxidierten Stromdurchlassbereich, der die Apertur
bilden kann, aufweist, ausgeführt
sein.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Resonator oder
das Halbleiterbauelement, insbesondere der Halbleiterkörper, derart
ausgebildet, dass ein aktiver Bereich gezielt derart außerhalb eines
Intensitätsmaximums
des Strahlungsfel des 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
Resonators bzw. des Halbleiterkörpers vereinfacht
erreicht werden. Das Intensitätsmaximum
ist vorzugsweise das dem aktiven Bereich nächstliegende Intensitätsmaximum.
-
Insbesondere
kann hierzu ein auf der dem n-leitenden Halbleiterbereich abgewandten
Seite des aktiven Bereichs angeordneter p-leitender Halbleiterbereich
gezielt dünner
ausgebildet werden. Für
eine vorgegebene Resonatorlänge
wird ein, gegebenenfalls weiterer, n-leitender Halbleiterbereich
des Halbleiterkörper
hierbei mit Vorzug entsprechend dicker ausgeführt. Die Gesamtdicke des Halbleiterkörpers kann
so trotz des dicker ausgeführten
n-leitenden Halbleiterbereich vereinfacht unverändert bleiben. Die Absorption
von Strahlung an freien Ladungsträgern ist in einem p-leitenden
Halbleitermaterial oftmals größer als
in einem n-leitenden Halbleitermaterial, so dass die Absorption
von Strahlung durch gezielte Erhöhung
der Dicke des n-leitenden Halbleiterbereich auf Kosten derjenigen
des p-leitenden Halbleiterbereich vermindert wird.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfassen zwei aktive Bereiche
des Halbleiterbauelements eine Quantentopfstruktur. Eine Quantentopfstruktur,
wie eine Ein- oder insbesondere eine Mehrfach-Quantentopfstruktur,
zeichnet sich durch hohe interne Quanteneffizienz bei der Umwandlung
von elektrischer Leistung in Strahlungsleistung aus. Die Konversionseffizienz
des Halbleiterbauelements kann so weitergehend erhöht werden.
Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur hierbei
keine Angabe über
die Dimensionalität der
Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und
Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält der Halbleiterkörper, insbesondere
der Tunnelübergang,
die aktiven Bereiche, der interne Spiegel, die Stromblende und/oder
das frequenzselektive Element, insbesondere jeweils, ein III-V-Halbleitermaterial,
insbesondere ein Material aus den III-V-Halbleitermaterialsystemen Inx Gay Al1-x-y P,
Inx Gay Al1-x-y N und/oder Inx Gay Al1-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 Inx Ga1-x Asy mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1, 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 Strahlungserzeugung
und vereinfachte Herstellbarkeit eines Halbleiterkörpers für das Halbleiterbauelement
auszeichnen. Mit den genannten Materialsystemen kann Strahlung in
verschiedenen Spektralbereichen besonders effizient erzeugt werden.
Hierbei ist Inx Gay Al1-x-y N für
ultraviolette Strahlung, über
blaue bis zu grüner
Strahlung, Inx Gay Al1-x-y P für
gelbe bis rote Strahlung und Inx Gay Al1-x-y As für infrarote
Strahlung besonders geeignet.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der
Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Figuren.
-
1 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
-
2 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
-
3 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
und
-
4 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden
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
Halbleiterbauelement 1 umfasst einen Halbleiterkörper 2,
der auf einem Substrat 3 angeordnet ist. Das Substrat 3 stabilisiert
den Halbleiterkörper
mechanisch und kann das Aufwachssubstrat, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge
für den
Halbleiterkörper
epitaktisch gewachsen ist, umfassen oder aus diesem gebildet sein.
-
Der
Halbleiterkörper
basiert vorzugsweise auf (In, Al)GaAs oder insbesondere auf (Al)GaAs. (Al)GaAs
ist für
ein effizientes strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement, insbesondere
zur Strahlungserzeugung im infraroten Spektralbereich besonders
geeignet. Als Substrat 3, insbesondere als Aufwachs substrat
ist für
dieses Materialsystem ein, z.B. n-leitendes, GaAs-Substrat besonders
geeignet.
-
Der
Halbleiterkörper 2 ist
vorzugsweise monolithisch integriert ausgeführt und umfasst zwei, im Halbleiterkörper voneinander
vertikal beabstandet und vorzugsweise im Halbleiterkörper benachbart angeordnete,
zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Bereiche 4a und 4b,
die über
einen zwischen diesen aktiven Bereichen angeordneten Tunnelübergang 5 in
Serienschaltung elektrisch leitend verbunden sind.
-
Die
aktiven Bereiche 4a und 4b sind jeweils zwischen
zwei Halbleiterbereichen 6a und 7a bzw. 6b und 7b angeordnet,
wobei die Bereiche 6a und 7a bzw. 6b und 7b besonders
bevorzugt unterschiedliche Leitungstypen aufweisen. Die Halbleiterbereiche 6a und 6b bzw. 7a und 7b weisen
bevorzugt jeweils den gleichen Leitungstyp auf. Die zwischen den
aktiven Bereichen 4a und 4b angeordneten Halbleiterbereiche 6a und 7b grenzen
ferner bevorzugt an den Tunnelübergang 5 an.
-
Zwischen
den aktiven Bereichen und dem Substrat 3 ist ein, vorzugsweise
dotierter, z.B. n-leitender, Braggspiegel 8 monolithisch
im Halbleiterkörper 2 integriert.
Der Braggspiegel 8 grenzt bevorzugt an das Substrat an.
-
Über mit
den aktiven Bereichen elektrisch leitend verbundene Kontakte – einen
ersten Kontakt 10 und einen zweiten Kontakt 11 – wird im
Betrieb des Halbleiterbauelements ein Pumpstrom zu den aktiven Bereichen 4a und 4b geleitet,
in denen in der Folge durch Rekombination von Elektronen und Löchern, beispielsweise
infrarote, Strahlung erzeugt wird.
-
Der
erste Kontakt 10, beispielsweise eine Metallisierung, ist
bevorzugt auf der dem Substrat 3 abgewandten Oberfläche 9 des
Halbleiterkörpers 2 angeordnet.
Bevorzugt ist der erste Kontakt als Ringkontakt ausgeführt. Auf
der dem Halbleiterkörper 2 abgewandten
Seite des Substrats 3 ist bevorzugt der zweite Kontakt 11,
beispielsweise eine Metallisierung, auf dem Substrat angeordnet.
-
Die
zwischen dem ersten Kontakt 10 und dem diesem nächstliegenden
aktiven Bereich 4a angeordneten Elemente des Halbleiterkörpers weisen bevorzugt
den gleichen Leitungstyp, beispielsweise p-leitend, auf. Entsprechendes
gilt für
die zwischen dem zweiten Kontakt 11 und dem diesem nächstliegenden
aktiven Bereich 4b angeordneten Elemente. Diese sind bevorzugt
n-leitend ausgeführt.
-
Der
Braggspiegel 8 bildet zusammen mit einem externen Spiegel 13 einen
gemeinsamen externen optischen Resonator für die beiden aktiven Bereiche 4a und 4b des
Halbleiterbauelements.
-
In
Resonator baut sich im Betrieb des Halbleiterbauelements ein Strahlungsfeld
auf, das in den aktiven Bereichen durch stimulierte Emission verstärkt werden
kann. Der normierte Verlauf der Intensität 17 des in den aktiven
Bereichen durch stimulierte Emission zu verstärkenden Stehwellenfeldes 18 ist in 1 schematisch
dargestellt. Das Halbleiterbauelement mit dem externen Resonator
ist damit insbesondere als elektrisch gepumpter VECSEL bzw. Halbleiterscheibenlaser
ausgeführt.
Aufgrund der Mehrzahl von aktiven Verstärkungsbereichen die in dem
gemeinsamen Resonator angeordnet sind, kann der zum Erreichen der
Lasertätigkeit
erforderliche Schwellstrom bzw. die Schwellstromdichte vermindert
werden. Zudem wird die Konversionseffizienz von elektrischer Pumpleistung
in Strahlungsleistung erhöht.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann die zum Erreichen der Lasertätigkeit erforderliche Reflektivität der Spiegel 8 oder 13,
insbesondere die des vorliegend als Auskoppelspiegel dienenden externen
Spiegels 13, verringert werden, sodass bei gleicher Strahlungsauskoppelfläche eine
erhöhte
Strahlungsleistung aus dem Resonator ausgekoppelt werden kann, ohne
das Erreichen der Lasertätigkeit
maßgeblich
zu erschweren.
-
Da
eine Mehrzahl von aktiven Bereichen zur Verstärkung von Strahlung in einem
gemeinsamen Resonator zur Verfügung
steht, wird die Verstärkung erhöht und zugleich
der Widerstand pro Verstärkungsbereich
im Halbleiterkörper
verringert. Die Anzahl an Strahlungsumläufen im Resonator kann so verringert
werden, wodurch die Absorption von Strahlungsleistung im Halbleiterkörper außerhalb
der aktiven Bereiche verringert werden kann.
-
Insgesamt
kann so die differenzielle Effizienz dPopt/dI,
mit der ausgekoppelten Strahlungsleistung Popt und
dem injizierten Strom I, und/oder die differenzielle Verstärkung dg/dn,
mit der Verstärkung
g ("gain") und der Ladungsträgerdichte
n, erhöht
werden.
-
Zudem
können
die Modulationseigenschaften des Halbleiterbauelements verbessert
werden. Beispielsweise kann der minimal erzielbare Pulsabstand im
Pulsbetrieb des Bauelements verringert werden. Projektionsanwendungen
erfordern besonders geringe Pulsabstände, so dass eine Verringerung
der erzielbaren Pulsabstände
für eine
Projektionsanwendung, für
die das Halbleiterbauelement vorgesehen sein kann, von besonderer
Bedeu tung ist. Hierzu ist die Resonatorlänge bevorzugt zusätzlich entsprechend
gering gewählt,
da mit geringerer Resonatorlänge
vereinfacht geringere Pulsabstände erzielbar
sind. Bevorzugt ist die Resonatorlänge kleiner oder gleich 30cm,
besonders bevorzugt kleiner oder gleich 10cm.
-
Der
externe Spiegel 13 ist bevorzugt als Auskoppelspiegel von
Strahlung aus dem Resonator ausgebildet. Bevorzugt weist der externe
Spiegel für die
in den aktiven Bereichen zu verstärkende Strahlung der Wellenlänge λ eine Reflektivität von 95% oder
mehr, besonders bevorzugt 97% oder mehr, beispielsweise 99% oder
mehr, auf.
-
Die
Reflektivität
des Braggspiegels 8, der vorliegend vorzugsweise nicht
als Auskoppelspiegel dient, ist bevorzugt größer oder gleich der Reflektivität des externen
Spiegels.
-
Der
Braggspiegel 8 weist bevorzugt eine Vielzahl von Halbleiterschichten,
beispielsweise 55 oder mehr Halbleiterschichten, mit unterschiedlichen Brechungsindices
auf. Diese basieren vorzugsweise jeweils auf (Al)GaAs. Für das Erzielen
einer vorgegebenen Reflektivität,
die für
das Erreichen der Lasertätigkeit
ausreicht, z.B. 99,9% oder größer, ist
oftmals eine derart hohe Schichtanzahl nötig. Die Halbleiterschichten
des Braggspiegels 8 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 im 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 Braggspiegel kann Halbleiter schichtenpaare 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.
-
Aufgrund
der Vielzahl von Schichten trägt der
Braggspiegel 8 in hohem Maße zum gesamten elektrischen
Widerstand des Halbleiterkörpers 2 bei. Da
der Widerstand des Braggspiegels 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 in einem externen Resonator
erhöht
werden. Das Halbleiterbauelement ist damit zur Emission besonders
hoher Strahlungsleistung geeignet.
-
Alternativ
kann der Pumpstrom auch nicht über
den Resonator-Braggspiegel 8 bzw.
das Substrat 3 zu den aktiven Bereichen geleitet werden.
Hierfür
ist ein sogenannter Intra-Cavity-Kontakt,
d.h. ein Kontakt, mittels dem Strom innerhalb des Resonators, insbesondere
zwischen einem Resonatorspiegel, etwa dem Braggspiegel, und dem
diesem nächstliegenden
aktiven Bereich, in den Halbleiterkörper injiziert wird. Der vom
Pumpstrom zu überwindende
Widerstand kann so verringert werden. Der Braggspiegel 8 kann
dann gegebenenfalls undotiert ausgeführt sein. Alternativ kann auch
ein elektrisch isolierender dielektrischer Spiegelschichtstapel,
der bevorzugt auf dem Halbleiterkörper ausgebildet ist, als Resonatorspiegel
eingesetzt werden.
-
Im
externen Resonator ist bevorzugt ein nichtlineares optisches Element 14,
z.B. ein BiBo-Kristall (BiBo: Wismuthtriborat, z.B. BiB3O6), zur Frequenzvervielfachung, insbesondere
zur Frequenzverdopplung, angeordnet.
-
In
den aktiven Bereichen durch stimulierte Emission verstärkte, nicht
sichtbare Strahlung, z.B. infrarote Strahlung, kann durch Frequenzvervielfachung
im nichtlinearen optischen Element in sichtbare Strahlung umgewandelt
werden, die aus dem Resonator auskoppelt.
-
Zwischen
dem ersten Kontakt 10, der bevorzugt für den Strahlungsdurchtritt
als ringartiger Kontakt ausgeführt
ist, und den aktiven Bereichen kann eine Halbleiterkontaktschicht 15 ausgebildet
sein, die vorliegend bevorzugt ringartig ausgebildet ist und/oder
an den ersten Kontakt angrenzt. Vom ersten Kontakt 10 aus
gelangen Ladungsträger über die Halbleiterkontaktschicht
und nachfolgend eine Stromspreizschicht 16 zu den aktiven
Bereichen. Die Stromspreizschicht 16 weist bevorzugt eine
vorteilhaft hohe Leitfähigkeit
in lateraler Richtung auf, sodass Ladungsträger in der Stromspreizschicht
in lateraler Richtung vom Rand des Halbleiterkörpers weg in Richtung der Mitte
des Halbleiterkörpers
geleitet werden. Eine (Al)GaAs-Schicht mit einem Al-Gehalt von 70%
oder größer ist
als Stromspreizschicht besonders geeignet. Die Gefahr von nichtstrahlender Rekombination,
die in einem Randbereich des Halbleiterkörpers 2 besonders
hoch ist, kann so vermindert werden.
-
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 ist bevorzugt derart
ausgebildet, dass Ladungsträger von
dem Valenzband des einen aktiven Bereichs in das Leitungsband des
anderen aktiven Bereichs tunneln und in diesem nochmals strahlend
rekombinieren können.
Die Konversionseffizienz des Halbleiterbauelements wird so vorteilhaft
erhöht.
-
Der
Tunnelübergang 5 ist
bevorzugt als im Betrieb des Halbleiterbauelements, insbesondere bezüglich der
Kontakte 10 und 11, 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
aus dem Halbleiterbereich 6a. Besonders bevorzugt weist
die Tunnelschicht 52 eine höhere Dotierstoffkonzentration
(z.B. n+) als diese angrenzende Halbleiterschicht
des Halbleiterbereichs 6a 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 Halbleiterbereichs 7b.
-
Die
Tunnelschichten 51, 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 zu verstärkenden
Strahlung und n eine natürliche
Zahl bezeichnen. n ist bevorzugt größer oder gleich 3. n ist weiterhin bevorzugt
derart gewählt,
dass die Resonatorlänge kleiner
oder gleich 6λ pro
aktivem Bereich des Halbleiterbauelements ist.
-
Über eine
Apertur 100 im Kontakt 10, die beispielsweise
kreis- oder ellipsenartig ausgeführt
ist, kann Strahlung nach dem Austritt aus dem Halbleiterkörper 2 über eine
Emissionsoberfläche 200 des Halbleiterkörpers durch
den ausgesparten Bereich des Kontaktes 10 treten. Am externen
Spiegel 13 wird diese Strahlung zur weitergehenden Verstärkung in
den aktiven Bereichen zumindest teilweise in den Halbleiterkörper 2 zurück reflektiert.
-
Mittels
der Formgebung der Apertur kann die Polarisation der austretenden
Strahlung beeinflusst werden. Hierzu ist eine in Aufsicht betrachtet
ellipsenförmige
Aussparung im Kontakt 10 besonders geeignet.
-
Um
die Reflexionsverluste beim Wiedereintritt der Strahlung in den
Halbleiterkörper
zu mindern, ist auf der Emissionsoberfläche 200 des Halbleiterkörpers 2 bevorzugt,
z.B. in einer Apertur des Kontakts 10 und/oder der Halbleiterkontaktschicht 15, eine
Antireflexionsschicht oder -beschichtung 20 auf das Halbleitermaterial
aufgebracht.
-
Die
innerhalb des Resonators angeordneten Elemente des Halbleiterkörpers 2,
d.h. alle Halbleiterelemente bis auf den Braggspiegel, können – abgesehen
von den aktiven Bereichen 4a und 4b – bis auf
gegebenenfalls unterschiedliche Leitungstypen und/oder Dotierstoffkonzentrationen
die gleiche Material zusammensetzung aufweisen. Insbesondere können der
Tunnelübergang 5 und
die angrenzenden Halbleiterbereiche 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 Halbleiterbereiche 6a und 7b,
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 Braggspiegel 8 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
externen Spiegel 13 angeordneten Elemente des Halbleiterkörpers 2 können verschiedene
Materialzusammensetzungen aufweisen.
-
Das
in 1 dargestellte Halbleiterbauelement 1 ist
als Top-Emitter ausgebildet. Dies bedeutet, dass Strahlung den Halbleiterkörper 2 über dessen dem
Substrat 3 abgewandte Seite verlässt. Die dem Substrat abgewandte
Oberfläche
des Halbleiterkörpers
dient somit als Emissionsoberfläche 200 des vertikal
zu den aktiven Bereichen 4a und 4b emittierenden
Halbleiterbauelements.
-
Weiterhin
sind die aktiven Bereiche bevorzugt gleichartig, insbesondere mit
gleichen Materialien und/oder dem gleichen strukturellen Aufbau
ausgebildet. Die aktiven Bereiche können zur Erzeugung von Strahlung
gleicher (Peak)Wellenlängen
ausgeführt
sein.
-
Bevorzugt
umfassen die aktiven Bereiche 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.
-
Die
aktiven Bereiche 4a und 4b sind weiterhin bevorzugt
jeweils in einem Intensitätsbauch,
d.h. einem Intensitätsmaximum,
der Intensitätsverteilung 17 des
stehenden Wellenfeldes im Resonator angeordnet. In den Verstärkungsbereichen
steht dann eine besonders hohe Strahlungsleistung zur Verstärkung zur
Verfügung.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann einer oder eine Mehrzahl von aktiven Bereichen auch gezielt
außerhalb
eines Intensitätsbauchs
angeordnet sein. Hierüber
kann die Dicke eines p-leitenden
Halbleiterbereichs, insbesondere in Bereichen vergleichsweise hoher
Intensität,
im Halbleiterkörper
verringert werden. In einem p-leitenden Bereich ist die Absorption von
Strahlung durch freie Ladungsträger
in der Regel besonders groß und
insbesondere größer als
in einem n-leitenden Bereich. Im besonderen gilt dies im AlGaAs-Materialsystem.
Der jeweilige aktive Bereich ist dann bevorzugt derart zum nächstliegenden
Intensitätsbauch
versetzt angeordnet, dass das dem aktiven Bereich nächstliegende
Intensitätsmaximum
in Richtung eines n-leitenden Halbleiterbereichs verschoben ist
oder in diesem liegt. Der jeweilige n-leitende Bereich, z.B. der
Bereich 6b, ist hierfür
auf Kosten eines dünner
ausgeführten
p-leitenden Bereichs entsprechend dicker ausgeführt. 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. Die Resonatorlänge bleibt dabei
bevorzugt unverändert.
-
Der
hochabsorbierende, nicht der Verstärkung dienende Tunnelübergang
ist bevorzugt in einem Intensitätsknoten
der Intensitätsverteilung 17 des
Stehwellenfeldes im Resonator angeordnet. Die im Tunnelübergang 5 absorbierbare
Strahlungsleistung kann so minimiert werden. Diese Anordnung trägt zur Effizienzsteigerung
des Halbleiterbauelements bei.
-
2 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
-
Im
Wesentlichen entspricht das Ausführungsbeispiel
nach 2 dem in 1 gezeigten.
Im Unterschied hierzu ist das Halbleiterbauelement 1 gemäß 2 als
Bottom-Emitter ausgeführt.
Die Emissionsoberfläche 200 des
Halbleiterbauelements ist demgemäß durch
die dem Substrat 3 zugewandte Oberfläche des Halbleiterkörpers 2 gebildet.
Das Substrat 3 und der zweite Kontakt 11 sind
hierzu zweckmäßigerweise
entsprechend ausgespart. Die Antireflexionsschicht oder -beschichtung 20 ist
durch eine Apertur des Kontaktes 11 und des Substrats 3 auf
dem Halbleiterkörper 2 aufgebracht.
Der Braggspiegel 8 ist weiterhin im Unterschied zu dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 bevorzugt
mit einem anderen Lei tungstypen, zum Beispiel p-leitend ausgeführt, insbesondere
falls das Substrat das Aufwachssubstrat umfasst. In diesem Falle
wird mit Vorteil auf dem Substrat zunächst gemäß einem Standardprozess n-leitendes
Halbleitermaterial gewachsen. Zudem ist die Stromspreizschicht 16 im
Unterschied zum Ausführungsbeispiel
nach 1 zwischen dem zweiten Kontakt 11 und
dem aktiven Bereich 4b angeordnet. Vorzugsweise ist die
Stromspreizschicht 16 n-leitend ausgeführt.
-
3 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
-
Im
Wesentlichen entspricht das Halbleiterbauelement dem in 2 gezeigten
und ist insbesondere auch als Bottom-Emitter ausgeführt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist im
Halbleiterkörper 2 zusätzlich zum
zwischen den aktiven Bereichen 4a und 4b angeordneten
Tunnelübergang 5 ein
weiterer Tunnelübergang 21 im
Halbleiterkörper 2 monolithisch
integriert.
-
Dieser
Tunnelübergang 21 ist
zwischen dem Braggspiegel 8 und dem diesem nächstliegenden
aktiven Bereich 4a angeordnet. Aufgrund des zusätzlichen
Tunnelübergangs
kann vereinfacht ein Braggspiegel 8 eingesetzt werden,
der den entgegengesetzten Leitungstyp des Halbleiterbereichs 7a aufweist.
Der Braggspiegel kann also insbesondere n-leitend ausgeführt sein.
Entsprechendes gilt für den
Halbleiterbereich 6c, der zwischen dem Braggspiegel und
dem Tunnelübergang 21 angeordnet sein
kann. In einem n-leitenden Braggspiegel 8 ist die Absorption
von Strahlung durch freie Ladungsträger gegenüber einem p-leitenden Braggspiegel
vorteilhaft verringert, sodass die Konversionseffizienz des Bauelements
gegenüber
dem in 2 gezeigten vorteilhaft erhöht ist. Der Tunnelübergang 21 ist ebenso
wie der Tunnelübergang 5 bevorzugt
in einem Intensitätsknoten
der Intensitätsverteilung 17 angeordnet.
-
Der
Tunnelübergang 21 gewährleistet
eine gute elektrische Anbindung des ersten Kontakts 10 über den
Braggspiegel 8 und den Halbleiterbereich 6c, der
vorzugsweise den gleichen Leitungstyp wie der Braggspiegel 8 aufweist,
an den Halbleiterbereich 7a, der vorzugsweise einen von
dem des Halbleiterbereichs 6c und/oder dem des Braggspiegels 8 verschiedenen
Leitungstyp aufweist.
-
4 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden
Halbleiterbauelements. Das in 4 gezeigte
Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten.
Im Unterschied hierzu ist im Halbleiterkörper 2 ein frequenzselektives
Element 22 monolithisch integriert.
-
Weiterhin
ist im Halbleiterkörper,
bevorzugt zwischen dem ersten Kontakt 10 und dem diesem nächstliegenden
aktiven Bereich 4a, eine Stromblende 26 im Halbleiterkörper ausgebildet.
Die Stromblende 26 ist bevorzugt als Oxidblende ausgeführt. Hierzu
wird beispielsweise eine (Al)GaAs-Schicht mit hohem Aluminiumgehalt,
vorzugsweise 80% oder größer, lateral
oxidiert, sodass in einem Zentralbereich ein nichtoxidierter Bereich
hoher Leitfähigkeit und
im Randbereich des Halbleiterkörpers 2 ein,
insbesondere ringartiger, oxidierter Bereich geringer Leitfähigkeit
ausgebildet wird. Der Stromfluss im Halbleiterkörper kann so 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.
-
Anstatt
einen Halbleiterbereich 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.
-
Das
frequenzselektive Element 22 umfasst bevorzugt einen ersten
Braggspiegel 23 und. einen zweiten Braggspiegel 24.
Die beiden Braggspiegel 23 und 24 sind bevorzugt
dotiert, wobei der Braggspiegel 23 besonders bevorzugt
den gleichen Leitungstyp aufweist wie der Halbleiterbereich 6a,
zum Beispiel n-leitend, und der Braggspiegel 24 besonders
bevorzugt den gleichen Leitungstyp aufweist wie der Halbleiterbereich 7b,
zum Beispiel p-leitend. Der Tunnelübergang 5 ist zwischen
den beiden Braggspiegeln des frequenzselektiven Elements angeordnet
und grenzt insbesondere an diese an. Mittels der Braggspiegel des
frequenzselektiven Elements kann die Intensitätsverteilung im Halbleiterkörper gezielt
moduliert werden, sodass die einhüllende Kurve der Intensitätsverteilung
des hier lediglich normiert dargestellten Intensitätsverlaufs 17 ein
lokales Minimum zwischen den aktiven Bereichen, insbesondere im
Bereich des Tunnelübergangs
aufweist. Eine Reflektivität
der Braggspiegel des frequenzselektiven Elements von 30% oder mehr,
bevorzugt von 40% oder mehr, für
im Resonator zu verstärkende
Strahlung der Wellenlänge λ ist hierfür besonders
geeignet.
-
Auf
diese Weise kann die zur Absorption im Tunnelübergang zur Verfügung stehende
Strahlungsleistung mit Vorteil verringert werden. Bei der Ausbildung
des Halbleiterkörpers
ist so die Fertigungstoleranz vorteilhaft erhöht, da auch eine Anordnung
des Tunnelübergangs
leicht außerhalb
eines Intensitätsknotens
nicht zu einer maßgeblichen
Erhöhung
der absorbierten Strahlungsleistung führt.
-
Um
das Ausbilden von separaten, das Erreichen der Lasertätigkeit
mittels Verstärkung
in einzelnen aktiven Bereichen ermöglichenden Subresonatoren zu
verhindern, weisen die Braggspiegel des frequenzselektiven Elements
bevorzugt eine Reflektivität
von 95% oder weniger, bevorzugt von 90% oder weniger, besonders
bevorzugt von 80% oder weniger für
im Resonator zu verstärkende
Strahlung der Wellenlänge λ auf.
-
Die
Einzelschichten des jeweiligen Braggspiegels des frequenzselekciven
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 der Resonator-Braggspiegel 8 zweckmäßigerweise
hochreflektiv ausgebildet ist, abweicht. Diese Abweichung kann bis
zu 10% betragen.
-
Weiterhin
kann das frequenzselektive Element alternativ oder zusätzlich der
longitudinalen Modenselektion dienen. Ein longitudinal monomodiger
Betrieb des Halbleiterlaserbauelements kann so unterstützt werden.
-
Im,
insbesondere p-leitenden, Braggspiegel 23 ist ferner bevorzugt
eine weitere Stromblende 25, die mit besonderem Vorteil
das gleiche Material wie die Stromblende 26 aufweist und/oder
an eine Tunnelschicht 52 des Tunnelübergangs 5 angrenzt,
integriert. Auch zwischen den aktiven Bereichen kann so der Stromfluss
vereinfacht auf den Zentralbereich des Halbleiterkörpers eingeschnürt werden.
Eine gleichartige Ausführung
der beiden Stromblenden 25 und 26, etwa mittels
Halbleiterschichten gleicher Zusammensetzung, erleichtert das Ausbilden
von Oxidblenden mit gleich großen,
einander vorzugsweise lateral gegenseitig überdeckenden, stromleitenden Aperturen,
da gleiche Materialien in der Regel gleiche Oxidationsraten aufweisen.
-
Ferner
kann, anders als dargestellt, ein Intensitätsknoten innerhalb der jeweiligen
Stromblende angeordnet sein, da eine Stromblende, insbesondere eine
Oxidblende, auch ein maßgebliches
Absorptionsvermögen
aufweisen kann.
-
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.
-
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,
insbesondere 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 jeweiligen 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. Dies ist für Projektionsanwendungen, bei
denen eine geringe Etendue von besonderem Vorteil ist, besonders geeignet.
-
Weiterhin-
kann im externen Resonator gegebenenfalls ein Fabry-Perot-Etalon
zur longitudinalen Modenselektion vorgesehen sein. Ferner kann der
externe Resonator gegebenenfalls auch mittels eines oder einer Mehrzahl
von geeigneten reflektiven oder diffraktiven Elementen gefaltet
sein. Der Resonator kann so mit einer vorgegebenen Resonatorlänge über Faltung
des Resonators vereinfacht mit einem kompakteren Aufbau realisiert
sein.