DE102010002966A1

DE102010002966A1 - Laserdiodenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung

Info

Publication number: DE102010002966A1
Application number: DE201010002966
Authority: DE
Inventors: Alfred Lell; Martin Strassburg
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: US20150214696A1; US20130016752A1; US9130353B2; US20170264080A1; US10020639B2; WO2011113638A1; DE102010002966B4; US9692210B2

Abstract

Es handelt sich um eine Laserdiodenanordnung mit mindestens einem Halbleitersubstrat (2; 1002; 2002; 3002; 2x, 2y), mit mindestens zwei Laserstapeln (30, 31, 32; 1030, 1031, 1032; 2030, 2031; 3030, 3031; 30x, 31x, 32x, 30y, 31y, 32y) mit jeweils einer aktiven Zone (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 2008, 2014; 3008, 3012; 5006a, 5012a, 5018a; 5006b, 5012b, 5018b; 6006a, 6012a, 6018a; 6006b, 6012b, 6018b; 6x, 12x, 18x, 6y, 12y, 18y) und mit mindestens einer Zwischenschicht (9, 15; 56, 58; 1009, 1015; 2005, 2011, 2017; 3005, 3010, 3014; 4009, 4015; 9x, 15x, 9y, 15y). Die Laserstapel (30, 31, 32; 1030, 1031, 1032; 2030, 2031; 3030, 3031; 30x, 31x, 32x, 30y, 31y, 32y) und die Zwischenschicht (9, 15; 56, 58; 1009, 1015; 2005, 2011, 2017; 3005, 3010, 3014; 4009, 4015; 9x, 15x, 9y, 15y) sind monolithisch auf das Halbleitersubstrat (2; 1002; 2002; 3002; 2x, 2y) aufgewachsen. Die Zwischenschicht (9, 15; 56, 58; 1009, 1015; 2005, 2011, 2017; 3005, 3010, 3014; 4009, 4015; 9x, 15x, 9y, 15y) ist zwischen den Laserstapeln (30, 31, 32; 1030, 1031, 1032; 2030, 2031; 3030, 3031; 30x, 31x, 32x, 30y, 31y, 32y) angeordnet. Die aktive Zone (6; 1006; 2008; 3008; 5006a; 5006b; 6006a; 6006b; 6x, 6y) des ersten Laserstapels (30; 1030; 2030; 3030; 30x, 30y) ist von der aktiven Zone (12, 18; 1012, 1018; 2014; 3012; 5012a, 5018a; 5012b, 5018b; 6012a, 6018a; 6012b, 6018b; 12x, 18x, 12y, 18y) des mindestens einen weiteren Laserstapels (31, 32; 1031, 1032; 2031; 3031; 31x, 32x, 31y, 32y) getrennt ansteuerbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserdiodenanordnung mit einem Halbleitersubstrat, mit Laserstapeln und Zwischenschichten zwischen den Laserstapeln. Darüber hinaus ist ein Verfahren zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung angegeben.
Im Stand der Technik werden Laserdioden einer Laserdiodenanordnung einheitlich bestromt. Damit können die Lichtleistungen der verschiedenen Laserdioden der Laserdiodenanordnung nicht unabhängig voneinander variiert werden.
Dieses Problem wird durch eine Laserdiodenanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Laserdiodenanordnung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 bzw. 14 gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Laserdiodenanordnung bzw. des Verfahrens zur Herstellung einer Laserdiodenanordnung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beispielhafte Ausführungsformen
Verschiedene Ausführungsformen weisen eine Laserdiodenanordnung mit mindestens einem Halbleitersubstrat auf. Mindestens zwei Laserstapeln mit jeweils einer aktiven Zone und mit mindestens einer Zwischenschicht sind vorgesehen. Die Laserstapel und die Zwischenschichten sind monolithisch auf das Halbleitersubstrat aufgewachsen. Die Zwischenschichten sind zwischen den Laserstapeln angeordnet. Die aktive Zone des ersten Laserstapels ist von der aktiven Zone des mindestens einen weiteren Laserstapels getrennt ansteuerbar.
Das Halbleitersubstrat kann ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere ein Nitridverbindungshalbleitermaterial wie Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumnitrid (AlN) sein. Alternativ kann Galliumarsenid (GaAs), Siliziumcarbid (SiC) oder Saphir als Substrat eingesetzt werden.
Auch Silizium (Si) ist als Halbleitersubstrat einsetzbar.
Die aktiven Zonen können pn-Übergänge, Doppelheterostruktur, Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW), Einfach-Quantentopfstruktur (SQW) sein. Quantentopfstruktur bedeutet: Quantentöpfe (2-dim), Quantendrähte (1-dim) und Quantenpunkte (0-dim). Die Stromeinprägung in die aktive Zone erfolgt durch eine p-dotierte Schicht und durch eine n-dotierte Schicht. Wie oben beschrieben, kann die aktive Zone eine Mehrfachquantentopfstruktur sein. Sie besteht aus mehreren aktiven Schichten. Zwischen den aktiven Schichten liegt jeweils eine Barriereschicht. Diffusionsbarrieren verringern die Gefahr des Eindringens des p-Dotierstoffes der p-dotierten Einschlussschicht in die aktive Zone. Jeweils eine weitere Barriereschicht geht der ersten aktiven Schicht voraus und folgt der letzten aktiven Schicht in Wachstumsrichtung nach. Die aktiven Schichten enthalten oder bestehen aus InGaN und sind zwischen etwa 0,8 nm und etwa 10 nm dick. Die Barriereschichten enthalten oder bestehen aus Al_xIn_yGa_(1-x-y)N mit 0 ≤ (x + y) ≤ 1 und/oder GaN und sind zwischen 1 und 200 nm dick. Das monolithische Wachstum bedeutet, dass die mehreren Laserstapel nacheinander auf demselben Wafer aufgewachsen sind. Insbesondere werden keine Laserbarren durch Löten oder Kleben übereinander angebracht.
In der vorliegenden Erfindung werden die Schichtenfolgen durch Molekularstrahlepitaxie oder metallorganischer Gasphasenepitaxie oder Gasphasenepitaxie oder Flüssigphasenepitaxie aufeinander aufgewachsen.
Das monolithische Wachstum der Laserstapel ist vorteilhaft, da dadurch besonders kleine Abstände der aktiven Zonen und den daraus bildbaren Laserdioden realisiert werden können. Ohne monolithisches Wachstum wären Anordnungen aus Laserdioden auf einen vertikalen Mindestabstand der Laserdioden voneinander von etwa 100 μm beschränkt. Dieser Mindestabstand rührt von der minimal zu verarbeitenden Dicke der Laserdiodenstrukturen her. Dieser hohe Abstand der vertikal übereinander angeordneten Laserdiodenstrukturen begrenzt die maximal erreichbare optische Leistungsdichte und auch das Etendu.
Der wesentliche Aspekt der Erfindung ist der, dass die Laserdioden aus verschiedenen aktiven Zonen getrennt ansteuerbar sind. Dadurch kann neben der Intensität auch der Farbort der emittierten Strahlung dynamisch verändert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, werden die aktiven Zonen durch separate n-Kontakte und separate p-Kontakte angesteuert. Dabei ist für die Erzeugung der Primärfarben blau, grün und rot jede aktive Zone mit einem separaten n-Kontakt und einem separaten p-Kontakt verbunden. Die Laserstapel sind über eine Zwischenschicht miteinander verbunden. Es ergibt sich eine beliebige Flexibilität in der Kontaktierung der Einzellichtquellen und das parasitäre Mitleuchten anderer Lichtquellen im Laserstapel wird vermieden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die aktiven Zonen durch einen gemeinsamen p-Kontakt und separate n-Kontakte angesteuert. Der gemeinsame p-Kontakt ist vorzugsweise auf einer Passivierung und den von der Passivierung befreiten Bereich einer hoch dotierten p-Kontaktschicht aufgebracht. Durch die entfallenden separaten p-Kontaktflächen wird der Platzbedarf reduziert, wodurch kompaktere Bauteile möglich sind. Es besteht ein geringerer Flächenbedarf auf dem Halbleiterwafer, wodurch eine kostengünstigere Herstellung der Projektionslichtquellen möglich ist. Der Schichtaufbau ist hinsichtlich parasitärem Leuchten optimiert, falls der Bandabstand der aktiven Zonen im Schichtaufbau von unten nach oben zunimmt, d. h. die Wellenlänge des emittierten Laserlichts abnimmt. Ein weiterer Vorteil ist der, dass der Montageaufwand reduziert wird.
In einer noch bevorzugteren Ausführungsform der Erfindung werden die aktiven Zonen durch einen gemeinsamen n-Kontakt und mehrere separate p-Kontakte angesteuert. Der gemeinsame n-Kontakt ist vorzugsweise an der Substratunterseite angebracht. Wie schon beim gemeinsamen p-Kontakt ist der Platzbedarf reduziert. Diesesmal aber dadurch, dass die separaten n-Kontaktflächen entfallen. Dies ermöglicht kompaktere Bauteile. Zudem besteht ein geringerer Flächenbedarf auf dem Halbleiterwafer, wodurch eine kostengünstigere Herstellung möglich ist. Der Schichtaufbau ist hinsichtlich parasitärem Leuchten optimiert, falls der Bandabstand der aktiven Zonen von unten nach oben abnimmt, d. h. die Wellenlänge des emittierten Laserlichts zunimmt. Ein weiterer Vorteil ist der, dass der Montageaufwand reduziert wird.
Für sämtliche Ausführungsformen gilt, dass die separaten n-Kontakte jeweils auf einer hoch n-dotierten Kontaktschicht aufgebracht sind. Die separaten p-Kontakte sind jeweils auf einer hoch p-dotierten Kontaktschicht aufgebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder Laserstapel mit der dazugehörigen aktiven Zone mindestens eine Laserdiode auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Laserdiodenanordnung ist die Zwischenschicht ein ohmscher Widerstand. Die ohmschen Kontakte können durch einen monolithischen Prozess als Tunneldiode realisiert sein. Der Tunnelübergang wird während des epitaktischen Wachstums der Laserstrukturen mit abgeschieden. Er dient der elektrischen Verbindung. Der Tunnelübergang umfasst zwei hochdotierte Schichten unterschiedlichen Leitungstyps (n- bzw. p-leitend). Diese zwei Schichten sind durch mindestens eine undotierte Zwischenschicht, z. B. aus Al_xIn_yGa_(1-x-y)N mit 0 ≤ (x + y) ≤ voneinander getrennt. Der Tunnelübergang dient zur elektrischen Verbindung zweier Laserstapel. Die Laserdioden werden durch die Tunnelübergänge elektrisch in Reihe geschaltet. Der Tunnelübergang bzw. die Tunnelübergänge bilden besonders geringe Potentialbarrieren. Dies erleichtert das Tunneln von Ladungsträgern zwischen übereinanderliegenden aktiven Zonen.
In Wachstumsrichtung kann sich zum Beispiel folgende Schichtenfolge im Tunnelübergang ergeben:

– p⁺-Typ-Tunnelübergangsschicht
– Mittelschicht
– n⁺-Typ Tunnelübergangsschicht.

In einer alternativen Ausführungsform kann im Tunnelübergang die Mittelschicht entfallen. Im Anschluss daran folgt die nächste Laserdiode im Stapel.
Die p⁺-Typ- und/oder n⁺-Typ-Tunnelübergangsschicht kann als Übergitter ausgelegt sein. Die Bandlücke ist im Bereich der Mittelschicht geringer als im Bereich der n-Barriere und der p-Barriere.
Der räumliche Abstand zwischen den Bereichen hoher Ladungsträgerdichten (Elektronen und Löcher) ist gering: Der Tunnelübergang hat einen besonders geringen elektrischen Widerstand. Es kann zugleich eine hohe Ladungsträgerdichte und somit eine hohe Tunnelwahrscheinlichkeit erzielt werden. Tiefe Störstellen (midgap states) in der Mittelschicht des Tunnelübergangs (kann aus einer einheitlichen Substanz oder aus: n+-Typ-Tunnelübergangsschicht und Mittelschicht und p+-Typ-Tunnelübergangsschicht bestehen) werden durch Fremdatome, insbesondere seltene Erden und/oder Übergangsmetalle, hervorgerufen. Im Gegensatz zu den üblichen Dotierstoffen (Si, Mg) haben derartige Fremdatome den Vorteil, dass sie elektronische Zustände erzeugen, die energetisch etwa in der Mitte der Bandlücke der Tunneldiodenzwischenschicht angeordnet sind. Diese Störstellen erleichtern den Ladungsträgern das Durchtunneln der Tunneldiodenzwischenschicht. Dadurch ist die Effizienz des Tunnelübergangs gegenüber einem Tunnelübergang ohne gezielt eingebrachte Störstellen verbessert. Beim Halbleiterkörper ohne Tunnelübergang müssen die Ladungsträger beim Übergang von der n-leitenden Einschlussschicht in die aktive Zone bzw. von der p-dotierten Einschlussschicht in die aktive Zone hohe energetische Potentialbarrieren überwinden. Bei HL-Körper mit Tunnelübergang treten solche Potentialbarrieren nicht oder kaum auf. Die Gefahr einer nicht strahlenden Rekombination von Elektronen ist verringert, was besonders bei hohen Betriebsströmen, d. h. bei hohen Ladungsträgerkonzentrationen, die Effizienz erhöht. Bei Halbleiterkörpern ohne Tunnelübergang mit Mehrfachquantentopfstruktur trägt nur eine der aktiven Zonen zur Emission bei. Der Tunnelübergang ermöglicht es, die beiden gegenüberliegenden Kontakte des Halbleiterchips aus n-leitendem Halbleitermaterial herzustellen. Damit kann das Problem der geringen p-Leitfähigkeit von Nitrid-Verbindungs-Halbleitern umgangen werden. Weitere Vorteile einer Tunnelschicht sind die Folgenden: Es sind nur wenige Kontakte erforderlich, nämlich im Idealfall nur zwei für die gesamte Laserdiodenanordnung. Die Tunnelschicht ist sehr dünn, nämlich etwa 30 nm, insbesondere dünner als eine alternative Isolatorschicht. Deshalb ist mit Tunneldioden ein maximaler Grad an Kompaktheit möglich. Mit anderen Worten entsteht ein ohmscher Kontakt zwischen den Laserdioden mit minimaler Ausdehnung. In einer weiteren Ausführungsform, bei der sich der Tunnelübergang in der Wellenleiterschicht befindet, ist der monolithisch gewachsene Tunnelübergang lichtdurchlässig. Dies ist besonders vorteilhaft, da der ohmsche Kontakt im Bereich der Laserwellenlänge keine oder nur eine äußerst geringe optische Absorption aufweist. Die Laserstrahlung wird vorteilhafterweise vor dem Austritt aus der Laserdiodenanordnung kaum geschwächt.
In einer weiteren Ausführungsform der Laserdiodenanordnung weist die Zwischenschicht Isolatoreigenschaften auf. Die isolierende Schicht kann durch Ionenimplantation oder durch epitaktisches Wachstum einer kristallinen elektrisch isolierenden Schicht erzeugt werden. Der Vorteil der kristallinen Schicht ist es, dass beim weiteren Wachstumsprozess die kristalline Information nicht verloren geht. Es ergibt sich eine Pufferschicht mit guter kristalliner Qualität für darüberliegende Schichten. Es gibt weniger Kristalldefekte und es ist keine neue Nukleation erforderlich. Dadurch wird eine vollkommen unabhängige Steuerung der einzelnen aktiven Zonen mit den daraus gebildeten Laserdioden möglich. Die Isolatorschicht ist vollkommen transparent für das Laserlicht. Es erfolgt keine Streuung von Photonen oder Absorption von Ladungsträgern und Photonen. Zwei Varianten der isolierenden Schicht sind vorteilhaft. Gemäß der ersten Variante wird der Isolator intrinsisch hochrein gewachsen mit einer Verunreinigungskonzentration von kleiner 10¹⁷ cm^–3, bevorzugt kleiner 10¹⁶ cm^–3 und besonders bevorzugt kleiner 10¹⁵ cm^–3 Gemäß der zweiten Variante sind die Halbleiterkristalle mit speziellen Dotierstoffen dotiert, die die Leitfähigkeit der Kristalle zerstört. Mit anderen Worten werden tiefe Zentren erzeugt.
Sowohl der ohmsche Widerstand in Form einer Tunneldiode als auch der Isolator in Form einer kristallinen elektrisch isolierenden Schicht wirken als Substrat und haben dabei die gleiche Funktion wie ein Substrat. Mit anderen Worten bilden sie eine gute kristalline Unterlage für die nachfolgenden epitaktisch gewachsenen Laserstapel. Bevorzugter Weise ist die Zwischenschicht in Form einer Tunneldiode oder einer kristallinen, elektrisch isolierenden, Schicht bezüglich der Gittereigenschaften und der thermischen Eigenschaften den nachfolgenden Laserstapeln sehr ähnlich.
In einer weiteren Ausführungsform kann als Zwischenschicht eine dünne Transparent Conductive Oxid(TCO)-Schicht zum Einsatz kommen. Insbesondere Zinkoxid und Indium Zinn Oxid (ITO) sind vorteilhaft. Die TCO-Schicht weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine geeignete Transparenz für die auftretenden Laserwellenlängen auf. Die TCO-Schicht kann mit Standardverfahren wie z. B. mit CVD, Sputtern oder auch MOVPE in ausreichend guter Qualität hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die aktiven Zonen so ausgelegt, dass Laserdioden aus verschiedenen Laserstapeln elektromagnetische Strahlung in voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen emittieren. Bei einem III-V-Verbindungshalbleitersystem, insbesondere einem InGaN-System, kann durch Variation einer Indiumkonzentration in den aktiven Zonen mindestens eine erste Laserdiode elektromagnetische Strahlung im blauen bis UV-Spektralbereich, mindestens eine zweite Laserdiode elektromagnetische Strahlung im grünen bis gelben Spektralbereich und mindestens eine dritte Laserdiode elektromagnetische Strahlung im roten Spektralbereich emittieren. Vorteilhaft ist hierbei, dass Laserdioden mit verschiedenen Emissionsspektren monolithisch, d. h. in einem einzigen Halbleitersystem, aufgewachsen sind. Die Reihenfolge der Einzellichtquellen, die zu jeweils einer aktiven Zone gehören, ist beliebig. Bevorzugt sind allerdings Stapelfolgen, bei denen die temperaturempfindlichsten Schichten zuletzt, mit anderen Worten als oberste Schicht, aufgewachsen werden. Für den Fall, dass rote, grüne und blaue Einzellichtquellen auf dem AlInGaN-Materialsystem basierend aufgewachsen werden, ist es günstig, die Indiumreichste rote aktive Zone zuletzt aufzuwachsen.
In bevorzugten Ausführungsformen weisen die aktiven Zonen in einem AlInGaN-Materialsystem folgende Indiumkonzentrationen auf:

– im UV-Bereich zwischen etwa 5% bis etwa 10%,
– im blauen Bereich zwischen etwa 15% bis etwa 25%,
– im grünen Bereich zwischen etwa 25% bis etwa 35%,
– im gelben Bereich zwischen etwa 35% bis etwa 45% und
– im roten Bereich größer als etwa 45%, vorzugsweise zwischen 45% und 60%.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung basiert die Laserdiodenanordnung auf zwei Lichtquellen, bei denen verschiedenen Laserstapel auf zwei verschiedene Halbleitersubstrate aufgewachsen sind. Beispielsweise ist auf einem ersten Substrat, z. B. einem GaN-Substrat, ein AlInGaN-System aufgewachsen. Damit können aktive Zonen zur effizienten Emission von blauem und grünem Laserlicht erzeugt werden. Auf einem zweiten Substrat, z. B. einem GaAs- oder GaP-Substrat, ist beispielsweise ein InGaAlP-System aufgewachsen. Damit können aktive Zonen zur effizienten Emission von gelben bis rotem Laserlicht erzeugt werden. Die beiden Lichtquellen, die auf den beiden verschieden Substraten aufgewachsen sind, können nahe zueinander angeordnet werden. Die monolithisch gewachsenen Lichtquellen können neben- und/oder übereinander angeordnet werden. Der wesentliche Vorteil besteht in der Erhöhung der Anzahl der Farben und somit in einer größtmöglichen Anpassung an den theoretisch darstellbaren Farbraum. Beispielsweise kann eine rote Lichtquelle gewachsen auf einem GaAs-Substrat auf eine blau und grün emittierende Lichtquelle gebondet werden. Dabei sind die Metallisierungen über eine Lotschicht miteinander verbunden. Die aktiven Zonen aus den beiden verschiedenen Systemen weisen einen Abstand von vorzugsweise etwa 10 μm, besonders bevorzugt von weniger als etwa 5 μm auf. Damit können Abstände erreicht werden, wie sie bei einem rein monolithischen Wachstum ohne Kombination zweier Lichtquellen basierend auf zwei verschiedenen Halbleitersubstraten erreicht werden. Dieses Wachstum auf zwei verschiedenen Substraten mit anschließendem Verbinden der beiden Lichtquellen ist besonders kostengünstig. Diese Kombination einer separat gewachsenen Rot emittierend Lichtquelle mit einer separat gewachsenen Lichtquelle, mit Laseremission im Grünen und Blauen, ist für Anwendungen wie Projektion, Retina Scanning Display über Pocket Projektoren, Laser TV, Beamer und Kino-Projektoren geeignet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Laserdiodenanordnung sind die Laserdioden vertikal zum Halbleitersubstrat gestapelt. Durch einen monolithischen Wachstumsprozess kann erreicht werden, dass der vertikale Abstand zwischen den Laserdioden kleiner als etwa 20 μm ist. Bevorzugt ist der vertikale Abstand kleiner als etwa 5 μm und besonders bevorzugt kleiner als etwa 2 μm.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Laserdioden horizontal, oder mit anderen Worten parallel, zum Halbleitersubstrat angeordnet. Durch einen monolithischen Wachstumsprozess kann erreicht werden, dass der horizontale Abstand zwischen den Laserdioden kleiner als etwa 100 μm ist. Bevorzugt ist der horizontale Abstand kleiner als etwa 20 μm und besonders bevorzugt kleiner als etwa 5 μm.
Die kleinen Abstände der monolithisch gewachsenen Laserdioden, die in der Größenordnung der Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung liegen, sind besonders vorteilhaft, da dadurch das Licht aus verschiedenen Laserdioden zeitlich und räumlich kohärent zueinander emittiert werden kann. Die einzelnen Laserdioden sind so dicht nebeneinander platziert, dass sich die Wellenfelder überlappen. Unterhalb eines Abstandes der Laserdioden von etwa 15 μm ist dies möglich. In diesem Fall erfolgt eine Phasenkopplung der Einzelemissionen, so dass eine kohärente Strahlung ähnlich einem Einzellaser ausgesendet werden kann. Dadurch ergeben sich weitere Freiheitsgrade und Möglichkeiten für die Wechselwirkung zwischen den Lichtwellen. Dadurch kann eine besonders scharfe Projektionsabbildung erreicht werden. Durch die Kompaktheit der Laserdiodenanordnung ist diese einsetzbar in Brillen (Retina Scanning Display), Mobiltelefonen, Smartphones, PDAs oder Netbooks (Pocket Projektoren).
Die Laserdioden können in einer zweidimensionalen Struktur angeordnet sein. Als Wechselwirkung zwischen Lichtwellen verschiedener Laserdioden kommen Modenausbildung, Modenverstärkung und Modenunterdrückung in Betracht.
Vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden monolithischen Laserdiodenstruktur sind die hohe optische Leistungsdichte, bei gleichzeitig verringerter Ausdehnung der Laserdiodenstruktur. Dies ermöglicht die Verwendung weniger komplizierter optischer Abbildungssysteme, d. h. zum Beispiel eine einfache Linse oder ein einfaches Linsensystem. Zudem ergeben sich bessere Abbildungseigenschaften. Die Abstrahlung erfolgt aus einer weitgehend zentrisch abstrahlenden Laserlichtquelle mit einem Aspekt-Verhältnis nahe 1. Daraus ergeben sich Vorteile im Abbildungsverhalten. Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Erfindung zur Erzeugung extremer Leuchtdichten eingesetzt werden.
Weiterhin vorteilhaft sind die geringen Herstellungskosten (Epitaxie, Prozessierung und Packaging) für die monolithisch integrierten Laserdiodenanordnungen im Vergleich zum Aufbau von herkömmlichen Laserarrays mit gleich starker Emission.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die dem Halbleitersubstrat zugewandte Schicht, die an die aktive Zone angrenzt, ein n-Wellenleiter und die vom Halbleitersubstrat abgewandte Schicht, die an die aktive Zone angrenzt, ein p-Wellenleiter. Mit anderen Worten folgt in Wachstumsrichtung auf das Substrat eine n-Schicht, darauf eine aktive Zone und darauf wiederum eine p-Schicht. Diese Reihenfolge wird auch als herkömmliche Polarität bezeichnet. Das Aufbringen der Schichtenfolge kann mehrfach wiederholt werde. Vorteilhaft ist es, dass mit dieser Epitaxiestruktur besonders kleine Abstände zwischen den Laserdioden realisiert werden können. Monolithisch gewachsene Bauteile mit obiger Schichtenfolge können bei hohen Spannungen aber niedrigem Ansteuerungsstrom betrieben werden. Bei niedrigen Stromdichten tritt allerdings der unerwünschte quantenconfined Stark-Effekt auf, der die aktive Zone verzerrt. Dadurch entsteht ein schlechter Überlapp der Wellenfunktionen der Ladungsträger in den laseraktiven Zonen. Daraus folgt eine hohe Wahrscheinlichkeit für nichtstrahlende Rekombination.
Vorteilhaft ist es, wenn die dem Halbleitersubstrat zugewandte Schicht, die an die aktive Zone angrenzt, ein p-Wellenleiter und die vom Halbleitersubstrat abgewandte Schicht, die an die aktive Zone angrenzt, ein n-Wellenleiter ist. Mit anderen Worten folgt in Wachstumsrichtung auf das Substrat eine p-Schicht, darauf eine aktive Zone und wiederrum darauf eine n-Schicht. In diesem Zusammenhang spricht man auch von invertierter Polarität oder polaritätsinvertierter Laserdiode (PILD). Die Laserdiodenanordnung mit obiger Schichtenfolge kann bei hohen Spannungen und niedrigem Ansteuerungsstrom betrieben werden. Das bei invertierter Polarität auftretende interne piezoelektrische Feld kompensiert zumindest teilweise andere Felder, wie z. B. externe Felder, und trägt somit dazu bei den quantenconfined Stark-Effekt, der insbesondere in Kristallen mit einer polaren Wurzitstruktur, wie GaN, auftritt, zu reduzieren. Dadurch wird die Ladungsträgerinjektion in die aktive Zone verbessert; es können mehr Ladungsträger in der aktiven Zone eingefangen werden. Die interne Quanteneffizienz ist nur noch geringfügig von der Stromdichte abhängig. Weiter wird durch die im Vergleich zur n-Schichten geringere Querleitfähigkeit der p-Schichten die ungewollte laterale Stromaufweitung deutlich reduziert. Die elektrischen Verluste sind reduziert. Die geringere Querleitfähigkeit der p-Schichten erklärt sich wie folgt: Im Vergleich zu n-Schichten ist die p-Schicht hochohmig. Die p-Schicht wird mit Mg-Atomen (Akzeptor) dotiert und die n-Schicht wird mit Si-Atomen (Donator) dotiert. Bei einer Dotierung durch Mg-Atomen mit ~10²⁰ cm^–3 ergibt sich eine Löcherkonzentration von nur ~10¹⁸ cm^–3.
Die laterale Stromaufweitung führt zu einer undefinierten Strom- und Leistungsabhängigen Verbreiterung der Strominjektion. Die Folge ist eine unkontrollierte Verbreiterung der Leuchtflecke und damit eine verringerte Leuchtdichte. Der Betriebsstrom muss erhöht werden, da ansonsten am Rande des undefinierten, stromverbreiterten Bereichs keine Besetzungsinversion erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwischen den Laserstapeln Stromblenden vorgesehen. Diese Stromblenden wirken der Stromaufweitung innerhalb der monolithisch gewachsenen Laserlichtquelle entgegen. Durch den Einsatz von Stromblenden kann erreicht werden, dass über das gesamte monolithische Schichtsystem mit mindestens zwei aktiven Zonen ein Monomodebetrieb erreicht werden kann. Die Stromblende kann erzeugt werden, indem eine oder mehrere Isolationsschichten in das Schichtsystem eingebaut werden und die Isolationsschicht strukturiert wird. Alternativ kann eine Stromblende durch Ionenimplantation oder durch teilweises Wegätzen der Kontaktschicht erzeugt werden.
Derzeit gängige Projektionssysteme basieren auf LCD oder Plasmatechnologie oder auf Projektoren und Beamer mit Hochdrucklampen. Alle diese traditionellen Displaytechnologien weisen einen hohen Stromverbrauch, einen stark eingeschränkten Farbraum und eine sehr begrenzte Lebensdauer auf. Vor allem aber steht die mangelnde Kompaktheit einem Einsatz in mobilen Anwendungen wie zum Beispiel in Mobiltelefonen und in PDAs entgegen.
RGB-Projektoren auf LED-Technologie überwinden zwar einige Nachteile traditioneller Displaysysteme. Allerdings können mit LED-Projektoren nur auf planen, exakt senkrecht zur Projektionseinheit angeordneten Flächen scharfe Projektionsabbildungen realisiert werden. Außerdem sind aufwendige Mikrooptiken und Imagertechnologien erforderlich und führen neben gesteigerten Kosten für das Gesamtsystem auch zu deutlich erhöhten Abmessungen der LED-basierten RGB-Projektoren. Ein weiterer gravierender Nachteil dieser LED-basierten RGB-Projektoren gegenüber erfindungsgemäßen Laser-basierten RGB-Projektoren ist der, dass die nebeneinander angeordneten einzelnen Lichtquellen bauformbedingt einen Mindestabstand von mehreren hundert μm aufweisen. Dies führt einerseits zu Abbildungsfehlern und steht damit höchsten Auflösungen entgegen. Zudem erschwert es eine Abbildung durch ein einziges Linsensystem, was die Kompaktheit der Lichtquelle begrenzt.
Heute verfügbare Laserprojektoren lösen zwar das Problem der Tiefenschärfe und der Abbildung auf nicht exakt planen Oberfläche. Sie sind jedoch auf Grund der wenig kompakten Abmaße vor allem des grünen Laser (Grün wird über Frequenzvervielfachung erzeugt) nicht in der Lage ultrakompakte RGB-Laserlichtquellen zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können durch geeignete Wahl der Schichtfolgen und durch entsprechende Technologien zur Kontaktierung die Einzellichtquellen der Projektionslichtquelle einzeln angesteuert werden. Dadurch können Abbildungsfehler minimiert werden ohne dass der Vorteil einer deutlich erhöhten Tiefenschärfe gegenüber herkömmlichen LED-Projektoren verloren geht. Die Abbildung kann dabei durch sehr eng beieinander liegende Linsen oder ein gemeinsames Linsensystem realisiert werden, wodurch die monolithisch gewachsene Projektions-Lichtquelle besonders kostengünstig und kompakt ist.
Die Erfindung beansprucht weiters ein Verfahren zur Herstellung einer Laserdiodenanordnung mit folgenden Schritten.
Es wird mindestens ein Halbleitersubstrat bereitgestellt. Anschließend wird durch epitaktisches Aufwachsen eine erste Einzellichtquelle, aufweisend einen ersten Laserstapel, eine erste n-Kontaktschicht und eine erste p-Kontaktschicht erzeugt. Dann wird eine erste dielektrische Schicht auf die erste p-Kontaktschicht aufgebracht. Eine Zwischenschicht wird auf die erste p-Kontaktschicht aufgebracht. Eine zweite Einzellichtquelle, aufweisend einen zweiten Laserstapel, eine zweite n-Kontaktschicht und eine zweite p-Kontaktschicht wird epitaktisch aufgewachsen. Dann wird eine zweite dielektrische Schicht auf die zweiten p-Kontaktschicht aufgebracht. Anschließend werden die zwei dielektrischen Schichten zum Freilegen von Kontaktflächen entfernt. Auf die freigelegten Kontaktflächen und auf die am weitesten vom Substrat entfernte freiliegende Kontaktschicht werden Kontakte aufgebracht. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da dabei eine selbstjustierende Freilegung der Kontaktflächen möglich ist.
Die Dielektrische Schicht, die als Passivierung dient, kann ganzflächig aufgebracht und anschließende strukturiert werden oder alternativ in Abhebetechnik strukturiert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden nach dem Schritt des Aufwachsens einer Einzellichtquelle und vor dem Schritt Aufbringen einer dielektrischen Schicht auf einen Teilbereich der p-Kontaktschicht folgende Schritte ausgeführt: Zunächst wird eine Isolationsschicht auf die Kontaktschicht aufgewachsen. Anschließend wird die Isolationsschicht mittels Ätzen oder Abheben teilweise geöffnet. Diese Weiterbildung wird bevorzugter Weise beim Einbau einer Strombegrenzungsschicht verwendet.
Alternativ zum oben beschriebenen Verfahren kann der gesamte Schichtstapel gänzlich epitaktisch gewachsen werden. Anschließend werden die Kontaktflächen mittels Fototechnik und Ätztechnik freigelegt. Dann wird die Kontaktmetallisierung aufgebracht und mittels Fotolithographie oder Abhebetechnik strukturiert. Der Vorteil dieses Verfahrens sind die wenigen erforderlichen Epitaxieschritte.
Laserlicht in Laserdioden kann sich indexgeführt und/oder gewinngeführt ausbreiten.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Laserdiodenanordnung Laserstege auf, die zur Führung der Laserstrahlung dienen. Dabei ist der aktive Bereich lateral durch Brechungsindexsprünge auf einen Streifen begrenzt. Die optische Welle wird in einem Wellenleiter geführt. Die Ausbildung des Wellenleiters kann durch unterschiedliche Schichtdicken und/oder Schichtfolgen erfolgen. Dabei ergeben sich innerhalb und außerhalb des Streifens verschiedene effektive Brechungsindices. Zur Verbesserung des elektrischen Confinements wird der Kontakt zusätzlich als Streifen ausgebildet. Die Vorteile von indexgeführten Laserdioden im Vergleich zu gewinngeführten Laserdioden sind der niedrige Schwellenstrom. Über die Breite der Laserstege kann gesteuert werden, ob nur eine Mode anschwingt (Stegbreiten von kleiner etwa 2 μm) oder ob ein Multimodebetrieb erfolgt.
In den im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen sind nur gewinngeführte Systeme dargestellt. Es lassen sich jedoch in analoger Weise indexgeführte Systeme beschreiben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt das Ablaufdiagramm eines ersten Herstellungsverfahrens;
1.1 bis 1.5 zeigen die Zwischenprodukte des ersten Herstellungsverfahrens aus 1
2 zeigt das Ablaufdiagramm eines zweiten Herstellungsverfahrens;
2.1 bis 2.5 zeigen die Zwischenprodukte des zweiten Herstellungsverfahrens aus 2;
3a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schichtenfolge;
3b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schichtenfolge;
3c zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schichtenfolge
3d zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schichtenfolge
3e zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schichtenfolge
4a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
4b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
4c zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
5a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
5b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
6a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
6b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
6c zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
8a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
8b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
8c zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserlichtquelle
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE LASERDIODENANORDNUNG
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
1 zeigt ein erstes Ablaufdiagramm zur Herstellung einer Laserlichtquelle. Der erste Herstellungsprozess lässt sich in die Schritte S1.1 bis S1.6 aufgliedern.
Im Schritt S1.1 wird ein Halbleitersubstrat 2 mit einer Bufferschicht 3 bereitgestellt. Darauf wird eine Einzellichtquelle epitaktisch aufgewachsen. Die Einzellichtquelle weist einen Laserstapel 30, eine erste n-Kontaktschicht 40 und eine erste p-Kontaktschicht 50 auf. Der Laserstapel 30 besteht in Wachstumsrichtung aus einer ersten n-Mantelschicht 4, einem ersten n-Wellenleiter 5, einer ersten aktiven Zone 6006a, einem ersten p-Wellenleiter 7 und einer ersten p-Mantelschicht 8.
Das Ergebnis des Schrittes S1.1 ist in 1.1 dargestellt.
Im Schritt S1.2 wird eine erste dielektrische Schicht 53 auf einen Teilbereich der ersten p-Kontaktschicht 50 aufgebracht.
Das Ergebnis des Schrittes S1.2 ist in 1.2 dargestellt.
Im Schritt S1.3 wird eine erste Tunneldiode 9 auf die erste p-Kontaktschicht 50 aufgebracht. Darüber wird eine zweite Einzellichtquelle, aufweisend eine zweite n-Kontaktschicht 41, einen zweiten Laserstapel 31 und eine zweite p-Kontaktschicht 51 aufgewachsen. Auf die zweite p-Kontaktschicht 51 wird eine zweite dielektrische Schicht 54 aufgebracht. Der zweite Laserstapel 31 weist in Wachstumsrichtung eine zweite n-Mantelschicht 10, einen zweiten n-Wellenleiter 11, eine zweite aktive Zone 6012a, einen zweiten p-Wellenleiter 13 und eine zweite p-Mantelschicht 14 auf.
Das Ergebnis des Schrittes S1.3 ist in 1.3 dargestellt.
Im Schritt S1.4 wird eine zweite Tunneldiode 15 auf die zweite p-Kontaktschicht 51 aufgewachsen. Darüber wird eine dritte Einzellichtquelle, aufweisend eine dritte n-Kontaktschicht 42, einen dritten Laserstapel 32 und eine dritte p-Kontaktschicht 52. Der dritte Laserstapel 32 weist in Wachstumsrichtung eine dritte n-Mantelschicht 16, einen dritten n-Wellenleiter 17, eine dritte aktive Zone 6018a, einen dritten p-Wellenleiter 19 und eine dritte p-Mantelschicht 20 auf.
Das Ergebnis des Schrittes S1.4 ist in 1.4 dargestellt.
Im Schritt S1.5 werden die erste dielektrische Schicht 53 und die zweite dielektrische Schicht 54 entfernt.
Das Ergebnis des Schrittes S1.5 ist in 1.5 dargestellt. Darin zeigen sich die erste freigelegte Kontaktfläche 59a und die zweite freigelegte Kontaktfläche 59b
Im Schritt S1.6 werden auf die freigelegten Kontaktflächen 59a, 59b und auf die dritte p-Kontaktschicht 52 Kontakte (70, 71, 72) aufgebracht.
Das Endergebnis des ersten Herstellungprozesses ist in 6a dargestellt.
2 zeigt ein zweites Ablaufdiagramm zur Herstellung einer Laserlichtquelle. Der zweite Herstellungsprozess lässt sich in die Schritte S2.1 bis S2.6 aufgliedern.
Im Schritt S2.1 wird ein Halbleitersubstrat 2 mit einer Bufferschicht 3 bereitgestellt. Darauf wird eine Einzellichtquelle epitaktisch aufgewachsen. Die Einzellichtquelle weist einen Laserstapel 30, eine erste n-Kontaktschicht 40 und eine erste p-Kontaktschicht 50 auf. Der Laserstapel 30 besteht in Wachstumsrichtung aus einer ersten n-Mantelschicht 4, einem ersten n-Wellenleiter 5, einer ersten aktiven Zone 6006a, einem ersten p-Wellenleiter 7 und einer ersten p-Mantelschicht 8. Auf die erste p-Kontaktschicht 50 wird eine erste Isolationsschicht 55 aufgebracht.
Das Ergebnis des Schrittes S2.1 ist in 2.1 dargestellt.
Im Schritt 2.2 wird ein Teilbereich der ersten p-Kontaktschicht 50 mit einer ersten dielektrischen Schicht 53 bedeckt. Weiter wird die erste Isolationsschicht geöffnet, wodurch sich eine Ausnehmung 56 in der ersten Isolationsschicht 55 bildet.
Das Ergebnis des Schrittes S2.2 ist in 2.2 dargestellt.
Im Schritt 2.3 wird eine erste Tunneldiode 9 aufgewachsen. Darauf wird eine zweite Einzellichtquelle aufgewachsen, aufweisend einen Laserstapel 31 mit einer zweiten aktiven Zone 31 und mit einer zweiten n-Kontaktschicht 41 und einer zweiten p-Kontaktschicht 51. Darauf wird eine zweite Isolationsschicht 57 aufgewachsen. Ein Teilbereich der zweiten p-Kontaktschicht 51 wird mit einer zweiten dielektrischen Schicht 54 bedeckt. Weiter wird die zweite Isolationsschicht 57 geöffnet, wodurch sich eine Ausnehmung 58 in der zweiten Isolationsschicht 57 bildet.
Das Ergebnis des Schrittes S2.3 ist in 2.3 dargestellt.
Im Schritt 2.4 wird eine zweite Tunneldiode 15 aufgewachsen. Darauf wird eine dritte Einzellichtquelle aufgewachsen. Die Einzellichtquelle weist einen dritten Laserstapel 32 aufweisend eine dritte n-Mantelschicht 16, einen dritten n-Wellenleiter 17, eine dritte aktive Zone 6018a, einen dritten p-Wellenleiter 19 und eine dritte p-Mantelschicht 20. Darauf ist eine dritte p-Kontaktschicht 52 aufgebracht.
Das Ergebnis des Schrittes S2.4 ist in 2.4 dargestellt.
Im Schritt S2.5 werden die erste dielektrische Schicht 53 und die zweite dielektrische Schicht 54 entfernt.
Das Ergebnis des Schrittes S2.5 ist in 2.5 dargestellt. Darin zeigen sich die erste freigelegte Kontaktfläche 59a und die zweite freigelegte Kontaktfläche 59b
Im Schritt S2.6 werden auf die freigelegten Kontaktflächen 59a, 59b und auf die dritte p-Kontaktschicht 52 Kontakte (70, 71, 72) aufgebracht.
Das Endergebnis des zweiten Herstellungprozesses ist in 6c dargestellt.
3a zeigt eine epitaktisch gewachsene Schichtenfolge 1 bei der die Tunneldioden 9, 15 außerhalb der Mantelschichten angeordnet sind. Es handelt sich um eine Schichtenfolge mit so genannter herkömmlicher Polarität. Auf das n-dotierte Halbleitersubstrat 2 folgt in Wachstumsrichtung eine Bufferschicht 3, eine erste n-Mantelschicht 4, ein erster n-Wellenleiter 5 eine erste aktive Zone 6, ein erster p-Wellenleiter 7, eine erste p-Mantelschicht 8, eine erste Tunneldiode 9, eine zweite n-Mantelschicht 10, ein zweiter n-Wellenleiter 11, eine zweite aktive Zone 12, ein zweiter p-Wellenleiter 13, eine zweite p-Mantelschicht 14, eine zweite Tunneldiode 15, eine dritte n-Mantelschicht 16, ein dritter n-Wellenleiter 17, eine dritte aktive Zone 18, ein dritter p-Wellenleiter 19, eine dritte p-Mantelschicht 20 und eine p-Kontaktschicht 21. 1 zeigt weiterhin drei Laserstapel 30, 31 und 32. Laserstapel 30 umfasst die erste n-Mantelschicht 4, der erste n-Wellenleiter 5, die erste aktive Zone 6 zur Emission von blauem Licht, den ersten p-Wellenleiter 7 und die erste p-Mantelschicht 8. Laserstapel 31 umfasst die zweite n-Mantelschicht 10, den zweiten n-Wellenleiter 11, die zweite aktive Zone 12 zur Emission von grünem Licht, den zweiten p-Wellenleiter 13 und die zweite p-Mantelschicht 14. Laserstapel 32 umfasst die dritte n-Mantelschicht 16, den dritten n-Wellenleiter 17, die dritte aktive Zone 18 zur Emission von rotem Licht, den dritten p-Wellenleiter 19 und die dritte p-Mantelschicht 20.
3b zeigt eine epitaktisch gewachsene Schichtenfolge 1001 bei der im Gegensatz zur 1 die Tunneldioden 1009 und 1015 innerhalb der Mantelschichten angeordnet sind. Es handelt sich wie schon in 3a um eine Schichtenfolge mit herkömmlicher Polarität. Bei den Laserdioden, die aus den Laserstapeln 1030, 1031 und 1032 gebildeten werden, grenzen die p-Wellenleiter 1007, 1013, 1019 an die Oberseiten der aktiven Zonen 1006, 1012, 1018 an. Auf das n-dotierte Substrat 1002 folgt in Wachstumsrichtung eine Bufferschicht 1003, eine n-Mantelschicht 104, ein erster n-Wellenleiter 1005, eine erste aktive Zone 1006, ein erster p-Wellenleiter 1007, eine erste Tunneldiode 1009, ein zweiter n-Wellenleiter 1011, eine zweite aktive Zone 1012, ein zweiter p-Wellenleiter 1013, eine zweite Tunneldiode 1015, ein dritter n-Wellenleiter 1017, eine dritte aktive Zone 1018, ein dritter p-Wellenleiter 1019, eine p-Mantelschicht 1020, eine p-Kontaktschicht 1021.
Ein erster Laserstapel 1030 umfasst die n-Mantelschicht 1004, den ersten n-Wellenleiter 1005, die erste aktive Zone 1006 und den ersten p-Wellenleiter 1007. Ein zweiter Laserstapel 1031 umfasst den zweiten n-Wellenleiter 1011, die zweite aktive Zone 1012 und den zweiten p-Wellenleiter 1013. Ein dritter Laserstapel 1032 umfasst den dritten n-Wellenleiter 1017, die dritte aktive Zone 1018, den dritten p-Wellenleiter 1019 und die p-Mantelschicht 1020. Dadurch dass in 2 die Tunneldioden innerhalb der Mantelschichten angeordnet sind, sind die aktiven Zonen näher beieinander. Dies ermöglicht eine geringere Bauhöhe der Laserdiodenanordnung.
3c zeigt eine epitaktisch gewachsene Schichtenfolge 2001 bei der die Tunneldioden 2005 und 2011 außerhalb der Mantelschichten angeordnet sind. Es handelt sich um eine Schichtenfolge mit invertierter Polarität. Die dem Halbleitersubstrat 2002 zugewandten Schichten, die an die aktiven Zonen 2008, 2014 angrenzen, sind die p-Wellenleiter 2007, 2013. Die vom Halbleitersubstrat 2002 abgewandte Schichten, die an die aktiven Zonen 2007, 2014 angrenzen, sind die n-Wellenleiter 2009, 2015. Die Schichtenfolge weist einen ersten Laserstapel 2030 und einen zweiten Laserstapel 2031 auf. Auf das Halbleitersubstrat 2002 folgt in Wachstumsrichtung eine Bufferschicht 2003, eine erste n-Mantelschicht 2004, eine erste Tunneldiode 2005, eine erste p-Mantelschicht 2006, ein erster p-Wellenleiter 2007, eine erste aktive Zone 2008, einer erster n-Wellenleiter 2009, eine zweite n-Mantelschicht 2010, eine zweite Tunneldiode 2011, eine zweite p-Mantelschicht 2012, ein zweiter p-Wellenleiter 2013, eine zweite aktive Zone 2014, ein zweiter n-Wellenleiter 2015, eine dritte n-Mantelschicht 2016, eine dritte Tunneldiode 2017, eine dritte p-Mantelschicht 2018 und eine p-Kontaktschicht 2019.
3d zeigt eine epitaktisch gewachsene Schichtenfolge 3001 bei der die erste Tunneldiode 3005 außerhalb der Mantelschichten angeordnet ist und bei der die zweite 3010 und die dritte 3014 Tunneldiode innerhalb der Mantelschichten angeordnet sind. Es handelt sich wie schon in 3c um eine Schichtenfolge mit invertierter Polarität. Die erste Tunneldiode 3005 ist zwingend notwendig, da das Substrat 3002 n-leitend ist. Die dem Halbleitersubstrat 3002 zugewandte Schichten, die an die aktiven Zonen 3008, 3012 angrenzen, sind p-Wellenleiter 3007, 3011. Die vom Halbleitersubstrat 3002 abgewandte Schichten, die an die aktiven Zonen 3008, 3012 angrenzen sind n-Wellenleiter 3009, 3013.
Auf das Halbleitersubstrat 3002 folgt in Wachstumsrichtung eine Bufferschicht 3003, eine erste n-Mantelschicht 3004, eine erste Tunneldiode 3005, eine erste p-Mantelschicht 3006, ein erster p-Wellenleiter 3007, eine erste aktive Zone 3008, ein erster n-Wellenleiter 3009, eine zweite Tunneldiode 3010, ein zweiter p-Wellenleiter 3011, eine zweite aktive Zone 3012, ein zweiter n-Wellenleiter 3013, eine zweite n-Mantelschicht 3016 und eine p-Kontaktschicht 3017.
Die erste Tunneldiode 3005 ist notwendig, wenn das Halbleitersubstrat 3002 vom n-Typ ist.
Die Schichtenfolge weist einen ersten Laserstapel 3030 und einen zweiten Laserstapel 3031 auf.
3e zeigt eine epitaktisch gewachsene Schichtenfolge 4001. Die Schichtenfolge ist identisch mit der Schichtenfolge 1001 in 3a, außer, dass als Zwischenschichten statt der Tunneldioden 9, 15 kristalline elektrisch isolierende Schichten 4009, 4015 aufgewachsen werden.
Die im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele in 4a, 5a, 5b, 6a, 6b, 6c, 7 basieren auf der Schichtenfolge 1 aus 3a. Die im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele in den 4b, 4c, 8a, 8b und 8c basieren auf der Schichtenfolge 4001 aus 3e.
3a zeigt, wie oben schon festgestellt, die epitaktische Schichtenfolge bei herkömmlicher Polarität. Dies bedeutet, dass bei den Laserdioden, die aus den Laserstapeln 30, 31 und 32 gebildet werden, die p-Seiten an die Oberseiten, also auf den dem Halbleitersubstrat abgewandten Seiten der aktiven Zonen 6, 12 und 18 angrenzen. Die dem Halbleitersubstrat 2 zugewandte Schichten, die an die aktive Zone 6, 12, 18 angrenzt, sind n-Wellenleiter 5, 11, 17. Die vom Halbleitersubstrat 2 abgewandte Schichten, die an die aktiven Zonen 6, 12, 18 angrenzen, sind p-Wellenleiter 7, 13, 19.
Sämtliche in den 4a bis 8c gezeigten Ausführungsbeispiele sind rein gewinngeführte Laserdiodenanordnungen. Hierzu identische oder zumindest ähnliche Effekte können auch bei rein indexgeführten oder gewinn- und indexgeführten Laserdiodenanordnungen erreicht werden.
4a zeigt ein Ausführungsbeispiel 10001 einer mehrfarbigen Laserlichtquelle mit einzeln ansteuerbaren aktiven Zonen 6, 12, 18. Die Laserdiodenanordnung weist ein Halbleitersubstrat 2 mit drei Laserstapeln 30, 31, 32 mit jeweils einer aktiven Zone 6, 12, 18 und mit zwei Zwischenschichten 9, 15 auf. Die Laserstapel 30, 31, 32 und die Zwischenschichten 9, 15 sind monolithisch auf das Halbleitersubstrat 2 aufgewachsen. Die Zwischenschichten 9, 15 sind zwischen den Laserstapeln 30, 31, 32 angeordnet. Die aktiven Zonen 6, 12, 18 sind getrennt voneinander ansteuerbar.
Die aktiven Zonen 6, 12, 18 werden durch drei separate n-Kontakte 60, 61, 62 und drei separate p-Kontakte 70, 71, 72 angesteuert. Der erste n-Kontakt 60 und der erste p-Kontakt 70 dient zur separaten Kontaktierung der ersten, blauen, aktiven Zone 6. Der zweite n-Kontakt 61 und der zweite p-Kontakt 71 dient zur separaten Kontaktierung der zweiten, grünen, aktiven Zone 12. Der dritte n-Kontakt 62 und der dritte p-Kontakt 72 dient zur separaten Kontaktierung der dritten, roten, aktiven Zone 18.
Jeder Laserstapel 30, 31, 32 weist mit seiner zugehörigen aktiven Zone 6, 12, 18 eine Laserdiode 95, 96, 97 auf. Die erste und die zweite Zwischenschicht sind durch Tunneldioden 9, 15 realisiert.
Die aktiven Zonen 6, 12, 18 sind so ausgelegt, dass Laserdioden 95, 96, 97 aus verschiedenen Laserstapeln 30, 31, 32 elektromagnetische Strahlung in voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen emittieren. Die erste aktive Zone 6 ist zur Emission von blauem Laserlicht ausgelegt. Die zweite aktive Zone 12 ist zur Emission von grünem Laserlicht ausgelegt. Die dritte aktive Zone 18 ist zur Emission von rotem Laserlicht ausgelegt.
Um zum Beispiel die grüne aktive Zone 12 einzeln anzusteuern wird der p-Kontakt (71) für Grün und der n-Kontakt (61) für Grün bestromt.
Die erste Laserdiode 95 emittiert im blauen Spektralbereich, die zweite Laserdiode 96 emittiert im grünen Spektralbereich und die dritte Laserdiode 97 emittiert im roten Spektralbereich. Die aktive Zone 6 zur Emission von blauem Laserlicht wird zuerst gewachsen, um die höhere In-Konzentration der aktiven Zone 12 zur Emission von grünem Laserlicht durch die nachfolgenden Epitaxieschritte nicht negativ zu beeinflussen.
Der vertikale Abstand zwischen den Laserdioden 95, 96, 97 aus verschiedenen aktiven Zonen 6, 12, 18 ist kleiner als etwa 20 μm, bevorzugt kleiner als etwa 5 μm und besonders bevorzugt kleiner als etwa 2 μm.
Die 4b zeigt ein Ausführungsbeispiel 10002 einer mehrfarbigen Laserlichtquelle mit einzeln ansteuerbaren aktiven Zonen 6, 12, 18. Die Struktur in 4b ist bis auf die Zwischenschichten identisch zur Struktur in 4a. Der Unterschied besteht allein darin, dass in 4b die Zwischenschichten 4009 und 4015 als kristalline elektrisch isolierende Schicht ausgelegt sind. Alternativ zur obigen, epitaktisch gewachsenen, isolierenden Schicht 4009, 4015 kann eine isolierende Schicht auch durch Ionenimplantation erzeugt werden.
Unterhalb der n-Mantelschichten 4, 10 und 16 liegt jeweils eine n-Kontaktschicht 40, 41 und 42 mit hoher n-Dotierung. Auf diesen n-Kontaktschichten 40, 41 und 42 sind die drei n-Kontakte 60, 61 und 62 angebracht. Oberhalb der p-Mantelschichten 8, 14 und 20 erstreckt sich jeweils eine p-Kontaktschicht 50, 51 und 52. Auf diesen p-Kontaktschichten 50, 51 und 52 sind die drei p-Kontakte 70, 71 und 72 aufgebracht. Um die Laserdiode 95 für blaues Licht einzeln anzusteuern, wird der erste n-Kontakt 60 und der erste p-Kontakt 70 bestromt. Um die Laserdiode 96 für grünes Licht einzeln anzusteuern, wird der zweite n-Kontakt 61 und der zweite p-Kontakt 71 bestromt. Um die Laserdiode 97 für rotes Licht einzeln anzusteuern, wird der dritte n-Kontakt 62 und der dritte p-Kontakt 72 bestromt.
4c weist eine zu 4b identische Schichtenfolge auf. Allein die Orientierungen der Kontakte unterscheiden sich. In 4b liegen die n-Kontakte 60, 61, 62 auf der gegenüberliegenden Seite des Schichtstapels bezogen auf die p-Kontakte 70, 71, 72. In 4c sind die n-Kontakte und die p-Kontakte auf derselben Seite des Schichtstapels angeordnet. Diese Bauform ist besonders vorteilhaft, um zwei oder mehr Laserdiodenanordnungen nahe zu einander zu platzieren. Die Laserdioden 95, 96, 97 emittieren wiederum im blauen, grünen und roten Spektralbereich.
5a zeigt ein Ausführungsbeispiel 10004 einer mehrfarbigen Lichtquelle mit einzeln ansteuerbaren aktiven Zonen 5006a, 5012a, 5018a. Es ist ein gemeinsamer p-Kontakt 100 und einzelne n-Kontakte 60, 61 und 62 für die Emission von blauem, grünem und rotem Licht vorgesehen. Die erste aktive Zone 5006a ist für die Emission von blauem Laserlicht ausgelegt. Die zweite aktive Zone 5012a ist für die Emission von grünem Laserlicht ausgelegt. Die dritte aktive Zone 5018a ist für die Emission von rotem Laserlicht ausgelegt.
Um beispielsweise die grün emittierend Laserdiode 5096a anzusteuern, wird der gemeinsame p-Kontakt 100 und der zweite n-Kontakt 61 bestromt. Die rot emittierende Laserdiode 5097a leuchtet nicht, wenn durch höhere Verluste bei der rot emittierenden Laserdiode 5097a zuerst die grün emittierende Laserdiode 5096a anschwingt. Die Verluste sind über die Indiumkonzentration in den aktiven Zonen einstellbar.
5b zeigt ein Ausführungsbeispiel 10005. Die Anordnung ist identisch zu 5a, außer dass die Reihenfolge der Farben der aktiven Zonen 5006b, 5012b und 5018b verändert wurde. Die erste aktive Zone 5006b ist zur Emission von rotem Laserlicht ausgelegt. Die zweite aktive Zone 5012b ist zur Emission von grünem Laserlicht ausgelegt. Die dritte aktive Zone 5018b ist zur Emission von blauem Laserlicht ausgelegt. Es wird auch in diesem Ausführungsbeispiel ein gemeinsame p-Kontakt 100 verwendet.
Um zum Beispiel die grüne aktive Zone 5096b einzeln anzusteuern, wird der n-Kontakt 61 für Grün und der gemeinsame p-Kontakt 100 bestromt. Die blaue Laserdiode 5097b leuchtet nicht, da wegen der größeren Bandlücke der blauen Laserdiode 5097b zuerst die grüne Laserdiode 5096b anschwingt und zu lasen beginnt.
6a zeigt ein Ausführungsbeispiel 10006 einer mehrfarbigen Lichtquelle mit einzeln ansteuerbaren aktiven Zonen 6006a, 6012a, 6018a. Es ist ein gemeinsamer n-Kontakt 101 und einzelne p-Kontakte 70, 71 und 72 vorgesehen. Der n-Kontakt 101 ist mit der Unterseite des Substrats 2 verbunden. Vorzugsweise ist der gemeinsame n-Kontakt 101 als metallischer Leiter ausgebildet.
Um Beispielsweise die grün emittierende Laserdiode 6096a anzusteuern, wird der gemeinsame n-Kontakt 101 und der zweite p-Kontakt 71 bestromt. Dabei würde die blau emittierende Laserdiode 6095a nicht anschwingen, da wegen deren größerer Bandlücke zuerst die grün emittierende Laserdiode 6096a anschwingt und zu lasen beginnt.
6b zeigt ein Ausführungsbeispiel 10007. Sie ist identisch zur Anordnung in 6a außer, dass die dritte aktive Zone 6018b zur Emission von gelbem Licht ausgelegt ist. Wie schon in 6a ist die erste aktive Zone 6006b zur Emission von blauem Laserlicht und die zweite aktive Zone 6012b zur Emission von grünem Laserlichtlicht ausgelegt.
6c zeigt ein Ausführungsbeispiel 10008. Sie basiert auf der Struktur aus 6a. Anders als in 6a ist in 6c auf der ersten p-Kontaktschicht 50 eine erste Isolationsschicht 55 und auf der zweiten p-Kontaktschicht 51 eine zweite Isolationsschicht 57 aufgewachsen. In der ersten Isolationsschicht 55 ist eine Ausnehmung 56 und in der zweiten Isolationsschicht 57 ist eine Ausnehmung 58 vorgesehen. Auf die Struktur aus erster Isolationsschicht 55 und Ausnehmung 56 ist eine erste Tunneldiode 9 aufgewachsen. Auf die Struktur aus zweiter Isolationsschicht 57 und Ausnehmung 58 ist eine zweite Tunneldiode 15 aufgewachsen. Die Isolationsschichten 55 und 57 mit ihren jeweiligen Ausnehmungen 56 und 58 dienen zur Stromeinengung in den vergrabenen Schichten. Aufgrund der Stromaufweitung innerhalb des monolithischen Schichtstapels kann es vorteilhaft sein, Stromeinengungsschichten innerhalb des monolithischen Schichtstapels einzubauen, um die Einzellichtquellen basierend auf den Laserstapeln 30, 31 und 32, in ihrer Emissionsbreite anzugleichen. Dies ist Voraussetzung die Lichtquelle 10008 im Monomodebetrieb zu betreiben. Um die Übersichtlichkeit der 6c zu erhalten, sind keine Laserdioden eingezeichnet.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel 10009. Es handelt sich um eine mehrfarbige Lichtquelle mit einzeln ansteuerbaren aktiven Zonen 6, 12, 18. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine zwei-dimensionale Struktur der Laserdioden. Die Laserdioden innerhalb eines Laserstapel 30, 31, 32 werden gemeinsam angesteuert. Mittels Gewinnführung werden in jeder aktiven Zone zwei Laserdioden erzeugt. Blau emittierende Laserdioden 95 und 95b werden aus der ersten aktiven Zone 6 gebildet. Grün emittierende Laserdioden 96 und 96b werden aus der zweiten aktiven Zone 12 gebildet. Rot emittierende Laserdioden 97 und 97b werden aus der dritten aktiven Zone gebildet. Die zweidimensionale Laserdiodenstruktur ermöglicht eine hohe optische Leistungsdichte, bei gleichzeitig verringerter Belastung der Facetten. Weiters sind die Laserdioden 95, 95b; 96, 96b; 97, 97b horizontal, also parallel, zum Halbleitersubstrat 2 angeordnet. Der horizontale Abstand zwischen den Laserdioden 95, 95b; 96, 96b; 97, 97b ist kleiner als etwa 100 μm, bevorzugt kleiner als etwa 20 μm und besonders bevorzugt kleiner als etwa 5 μm. Auch sind die geometrischen Eigenschaften der Emissionsfläche günstig. Dies ermöglicht die Verwendung weniger komplizierter optischer Abbildungssysteme, d. h. zum Beispiel eine einfache Linse oder ein einfaches Linsensystem. Zudem ergeben sich bessere Abbildungseigenschaften. Die Bildung von zwei oder mehr Laserdioden in einer aktiven Zone ist zum Beispiel vorteilhaft, um der Augenempfindlichkeit oder anderen Anforderungen Rechnung zu tragen. Hier kommt vor allem eine zweite grüne Laserdiode 96b in Frage. Auch die unterschiedliche Effizienz von Laserdioden mit verschiedenen Emissionswellenlängen kann dadurch ausgeglichen werden.
8a zeigt ein Ausführungsbeispiel 10010 mit einem Schichtenstapel 1x und einem Schichtenstapel 1y. Der Schichtenstapel 1x ist auf einem ersten Halbleitersubstrat 2x gewachsen. Der Schichtenstapel 1y ist auf einem zweiten Halbleitersubstrat 2y gewachsen. Die Anordnung der Schichten auf jedem der beiden Halbleitersubstrate 2x, 2y entspricht der des Ausführungsbeispiels 10003 aus 4c. Demnach sind die n-Kontakte 61x und 62x und die p-Kontakte 70x, 71x des Schichtenstapels 1x auf ein und derselben Seite angeordnet. Der erste n-Kontakt 60x ist auf der dem Schichtenstapel 1x abgewandten Seite des Halbleitersubstrats 2x aufgebracht. Der dritte p-Kontakt 72x schließt den Schichtenstapel 1x nach oben hin ab.
Die n-Kontakte 61y und 62y und die p-Kontakte 70y, 71y des Schichtenstapels 1y ebenfalls auf ein und derselben Seite angeordnet. Der erste n-Kontakt 60x ist auf der dem Schichtenstapel 1y abgewandten Seite des Halbleitersubstrats 2y aufgebracht. Der dritte p-Kontakt 72y schließt den Schichtenstapel 1y nach oben hin ab.
Als erstes Halbleitersubstrat 2x kommt GaN, AlN, InN oder Si in Frage.
Als zweites Halbleitersubstrat 2y kommt GaAs, GaP oder Si in Frage.
Auf dem ersten Halbleitersubstrat 2x wird ein Schichtstapel basierend auf dem AlInGaN-Materialsystem gewachsen. Vorzugsweise ist die erste aktive Zone 6x zur Emission von blauem Laserlicht, die zweite aktive Zone 12x zur Emission von cyan farbigen Laserlicht und die dritte aktive Zone 18x zur Emission von grünem Laserlicht ausgelegt.
Auf dem zweiten Halbleitersubstrat 2y wird ein Schichtstapel basierend auf dem AlInGaP-Materialsystem gewachsen. Vorzugsweise ist die erste aktive Zone 6y zur Emission von gelbem Laserlicht, die zweite aktive Zone 12y zur Emission von Amber farbigen Laserlicht und die dritte aktive Zone 18y zur Emission von rotem Laserlicht ausgelegt.
Die beiden monolithischen Schichtstapel 1x und 1y können durch ihrer oben beschriebene Bauform so nahe zueinander angeordnet werden, dass sie einen Abstand im Bereich weniger μm aufweisen. Dabei weisen die Kontakte 61x, 62x, 70x, 71x des Schichtstapels 1x in die entgegengesetzte Richtung der Kontakte 61y, 62y, 70y, 71y.
Diese Bauform erzeugt Laserdioden die minimal beabstandet sind. Abstände im Bereich von kleiner etwa 50 μm, vorzugsweise kleiner etwa 10 μm, besonders bevorzugt etwa 2 μm sind realisierbar. Dies trifft zum Einen für Laserdioden innerhalb des ersten Schichtstapel 1x und innerhalb des zweiten Schichtstapel 1y zu. Aber auch für die Abstände zwischen Laserdioden aus dem ersten Schichstapel 1x und dem zweiten Schichtstapel 1y gelten obige Abstände im μm-Bereich. Dadurch kann eine optimale Projektion mit minimalen Abbildungsfehlern erreicht werden. Zudem ist ein einfaches Linsensystem ausreichend. Durch Wachsen bzw. Anordnen von mehr als drei Einzellichtquellen mit jeweils einer aktiven Zone 6x, 12x, 18x, 6y, 12y, 18y, also z. B. wie oben dargestellt, blau, cyan, grün, gelb, Amber und rot kann der abzubildende Farbraum vergrößert werden. Um die Übersicht zu erhöhen sind in 8a keine Laserdioden eingezeichnet.
8b zeigt ein Ausführungsbeispiel 10011 mit einem ersten Halbleitersubstrat 2x und einem zweiten Halbleitersubstrat 2y. Auf dem ersten Halbleitersubstrat 2x ist ein erster Laserstapel 30 mit einer aktiven Zone 6, die ausgelegt ist blaues Laserlicht zu emittieren, aufgewachsen. Darauf ist eine kristalline, elektrisch isolierende Schicht 4009, aufgewachsen. Darüber ist ein zweiter Laserstapel 31 mit einer aktiven Zone 12, die ausgelegt ist grünes Laserlicht zu emittieren, aufgewachsen. Auf den zweiten Laserstapel 31 ist unmittelbar eine zweite p-Kontaktschicht 51 aufgewachsen. Darauf ist eine erste p-Metallisierung 92 aufgebracht. Eine Lotschicht 91 schafft die Verbindung zu einem roten Einzelemitter, der getrennt vom ersten Substrat 2x auf dem zweiten Substrat 2y aufgewachsen wurde. Dieser rote Einzelemitter wird über eine zweite p-Metallisierung 90 mit der Lotschicht 91 verbunden. Mit anderen Worten wird der rote Einzelemitter mit den Epitaxie-Schichten, wie p-Kontaktschicht 52, p-Mantelschicht 20, p-Wellenleiter 19, aktive Zone zur Emission von rotem Licht 18, n-Wellenleiter 17, n-Mantelschicht 16, n-Kontaktschicht 42 und zweites Substrat 2y nach unten (face-down) mit den auf dem ersten Substrat 2x gewachsenen Schichten verbunden. Auf das zweite Substrat 2y ist eine Passivierung 80 und ein dritter n-Kontakt 62 aufgebracht.
Der Vorteil der Anordnung 10011 besteht in folgendem Sachverhalt. Die aktive Zone 6 zur Emission von blauem Laserlicht und die aktive Zone 12 zur Emission von grünem Laserlicht können einfach und kostengünstig auf dem ersten Substrat 2x, z. B. GaN, aufgewachsen werden. Die aktive Zone 18 zur Emission von rotem Laserlicht kann besonders einfach und kostengünstig auf dem zweiten Substrat 2y, z. B. GaAs, aufgewachsen werden. Erst nach dem epitaktischen Wachstum werden die beiden monolithischen Schichtstapel mittels der Metallisierunsgsschichten 92 und 90 und mittels einer Lotschicht 91 elektrisch leitend und mechanisch miteinander verbunden. Dabei wird auf einen dritten p-Kontakt 72 verzichtet. Die p-Seite des „roten” Schichtstapels wird über den zweiten p-Kontakt 71 mitbestromt.
Die erste p-Metallisierung 92 weist eine Legierung aus Ti, Pt und Au auf. Titan dient hierbei als Haftvermittler. Platin dient als Diffusionssperre. Das Lot 91 weist AnSn oder In auf. Um die Übersicht zu erhöhen sind in 8b keine Laserdioden eingezeichnet.
Ein weiterer Vorzug der „face-down” Struktur, insbesondere bei Power-Lasern, ist die verbesserte Wärmeabfuhr.
8c zeigt ein Ausführungsbeispiel 10012 mit einem ersten Halbleitersubstrat 2x und einem zweiten Halbleitersubstrat 2y. Die Anordnung ist identisch mit der Anordnung aus 8b, außer dass statt der Lotschicht 91 eine Isolationsschicht 93 und ein separater dritter p-Kontakt 72 vorgesehen ist. Dieser separate p-Kontakt 72 ist notwendig, da zwischen der p-Metallisierungsschicht 92 für den Schichtstapel 31 und der p-Metallisierungsschicht 90 für den Schichtstapel 32 die Isolationsschicht 93 angeordnet ist. Die p-Metallisierung 92 ist optional und kann zur zusätzlichen Stromeinprägung verwendet werden. Die Isolationsschicht 93 weist eine Dicke zwischen etwa 50 μm und 200 μm, vorzugsweise etwa 100 μm auf. Um die Übersicht zu erhöhen sind in 8c keine Laserdioden eingezeichnet.
Die Laserdiodenanordnung und das Verfahren zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung wurden zur Veranschaulichung des zugrundeliegenden Gedankens anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte Merkmalskombinationen beschränkt. Auch wenn einige Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso denkbar, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre realisiert bleibt.
Auch wenn die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung in einer bestimmten Reihenfolgebeschrieben sind, so ist es selbstverständlich, dass jedes der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren in jeder anderen, sinnvollen Reihenfolge durchgeführt werden kann, wobei auch Verfahrensschritte ausgelassen oder hinzugefügt werden können, soweit nicht von dem Grundgedanken der beschriebenen technischen Lehre abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

1: Schichtenfolge
2: Substrat
3: Bufferschicht
4: erste n-Mantelschicht
5: erster n-Wellenleiter
6: erste aktive Zone (blau)
7: erster p-Wellenleiter
8: erste p-Mantelschicht
9: erste Tunneldiode
10: zweite n-Mantelschicht
11: zweiter n-Wellenleiter
12: zweite aktive Zone (grün)
13: zweiter p-Wellenleiter
14: zweite p-Mantelschicht
15: zweite Tunneldiode
16: dritte n-Mantelschicht
17: dritter n-Wellenleiter
18: dritte aktive Zone (rot)
19: dritter p-Wellenleiter
20: dritte p-Mantelschicht
21: p-Kontaktschicht
30: erster Laserstapel
31: zweiter Laserstapel
32: dritter Laserstapel
40: erste n-Kontaktschicht
41: zweite n-Kontaktschicht
42: dritte n-Kontaktschicht
50: erste p-Kontaktschicht
51: zweite p-Kontaktschicht (grün)
52: dritte p-Kontaktschicht (rot)
53: erste dielektrische Schicht
54: zweite dielektrische Schicht
55: erste Isolationsschicht
56: Ausnehmung in der ersten Isolationsschicht
57: zweite Isolationsschicht
58: Ausnehmung in der zweiten Isolationsschicht
59a: erste freigelegte Kontaktfläche
59b: zweite freigelegte Kontaktfläche
60: erster n-Kontakt (blau)
61: zweiter n-Kontakt (grün)
62: dritter n-Kontakt (rot)
70: erster p-Kontakt (blau)
71: zweiter p-Kontakt (grün)
72: dritter p-Kontakt (rot)
72b: dritter p-Kontakt (gelb)
80: Passivierung
90: p-Metallisierung (rot)
91: Lotschicht
92: p-Metallisierung (grün)
93: Isolationsschicht
95: erste Laserdiode (blau)
96: zweite Laserdiode (grün)
97: dritte Laserdiode (rot)
95b: vierte Laserdiode (blau)
96b: fünfte Laserdiode (grün)
97b: sechste Laserdiode (rot)
100: gemeinsamer p-Kontakt
101: gemeinsamer n-Kontakt
1001: Schichtenfolge
1002: Substrat
1003: Bufferschicht
1004: n-Mantelschicht
1005: erster n-Wellenleiter
1006: erste aktive Zone
1007: erster p-Wellenleiter
1009: erste Tunneldiode
1011: zweiter n-Wellenleiter
1012: zweite aktive Zone
1013: zweiter p-Wellenleiter
1015: zweite Tunneldiode
1017: dritter n-Wellenleiter
1018: dritte aktive Zone
1019: dritter p-Wellenleiter
1020: p-Mantelschicht
1021: p-Kontaktschicht
2001: Schichtenfolge
2002: Substrat
2003: Bufferschicht
2004: erste n-Mantelschicht
2005: erste Tunneldiode
2006: erste p-Mantelschicht
2007: erster p-Wellenleiter
2008: erste aktive Zone
2009: erster n-Wellenleiter
2010: zweite n-Mantelschicht
2011: zweite Tunneldiode
2012: zweite p-Mantelschicht
2013: zweiter p-Wellenleiter
2014: zweite aktive Zone
2015: zweiter n-Wellenleiter
2016: dritte n-Mantelschicht
2017: dritte Tunneldiode
2018: dritte p-Mantelschicht
2019: p-Kontaktschicht
3001: Schichtenfolge
3002: Substrat
3003: Bufferschicht
3004: n-Mantelschicht
3005: erste Tunneldiode
3006: erste p-Mantelschicht
3007: erster p-Wellenleiter
3008: erste aktive Zone
3009: erster n-Wellenleiter
3010: zweite Tunneldiode
3011: zweiter p-Wellenleiter
3012: zweite aktive Zone
3013: zweiter n-Wellenleiter
3014: dritte Tunneldiode
3015: dritter p-Wellenleiter
3016: zweite p-Mantelschicht
3017: p-Kontaktschicht
4009: erste kristalline, elektrisch isolierende Schicht
4015: zweite kristalline, elektrisch isolierende Schicht
1x: erster Schichtenstapel
2x: erstes Substrat (z. B. GaN)
3x: erste Bufferschicht
4x: erste n-Mantelschicht
5x: erster n-Wellenleiter
6x: erste aktive Zone (blau)
7x: erster p-Wellenleiter
8x: erste p-Mantelschicht
4009x: erste kristalline elektrisch isolierende Schicht
10x: zweite n-Mantelschicht
11x: zweiter n-Wellenleiter
12x: zweite aktive Zone (cyan)
13x: zweiter p-Wellenleiter
14x: zweite n-Mantelschicht
15x: zweite kristalline elektrisch isolierende Schicht
16x: dritte n-Mantelschicht
17x: dritter n-Wellenleiter
18x: dritte aktive Zone (grün)
19x: dritter p-Wellenleiter
20x: dritte p-Mantelschicht
30x: erster Laserstapel
31x: zweiter Laserstapel
32x: dritter Laserstapel
40x: erste n-Kontaktschicht (blau)
41x: zweite n-Kontaktschicht (cyan)
42x: dritte n-Kontaktschicht (grün)
50x: erste p-Kontaktschicht (blau)
51x: zweite p-Kontaktschicht (cyan)
52x: dritte p-Kontaktschicht (grün)
60x: erster n-Kontakt (blau)
61x: zweiter n-Kontakt (Cyan)
62x: dritter n-Kontakt (Grün)
70x: erster p-Kontakt (blau)
71x: zweiter p-Kontakt (cyan)
72x: dritter p-Kontakt (grün)
80x: Passivierung
1y: zweiter Schichtenstapel
2y: zweites Substrat (z. B. GaAs)
3y: zweite Bufferschicht
4y: erste n-Mantelschicht
5y: erster n-Wellenleiter
6y: erste aktive Zone (gelb)
7y: erster p-Wellenleiter
8y: erste p-Mantelschicht
4009y: erste kristalline elektrisch isolierende Schicht
10y: zweite n-Mantelschicht
11y: zweiter n-Wellenleiter
12y: zweite aktive Zone (amber)
13y: zweiter p-Wellenleiter
14y: zweite n-Mantelschicht
15y: zweite kristalline elektrisch isolierende Schicht
16y: dritte n-Mantelschicht
17y: dritter n-Wellenleiter
18y: dritte aktive Zone (rot)
19y: dritter p-Wellenleiter
20y: dritte p-Mantelschicht
30y: erster Laserstapel
31y: zweiter Laserstapel
32y: dritter Laserstapel
40y: erste n-Kontaktschicht (gelb)
41y: zweite n-Kontaktschicht (amber)
42y: dritte n-Kontaktschicht (rot)
50y: erste p-Kontaktschicht (gelb)
51y: zweite p-Kontaktschicht (amber)
52y: dritte p-Kontaktschicht (rot)
60y: erster n-Kontakt (gelb)
61y: zweiter n-Kontakt (amber)
62y: dritter n-Kontakt (rot)
70y: erster p-Kontakt (gelb)
71y: zweiter p-Kontakt (amber)
72y: dritter p-Kontakt (rot)
80y: Passivierung
5006a: erste aktive Zone (blau)
5012a: zweite aktive Zone (grün)
5018a: dritte aktive Zone (rot)
5006b: erste aktive Zone (rot)
5012b: zweite aktive Zone (grün)
5018b: dritte aktive Zone (blau)
5095a: erste Leuchtdiode (blau)
5096a: zweite Leuchtdiode (grün)
5097a: dritte Leuchtdiode (rot)
5095b: erste Laserdiode (rot)
5096b: zweite Laserdiode (grün)
5097b: dritte Laserdiode (blau)
6006a: erste aktive Zone (blau)
6012a: zweite aktive Zone (grün)
6018a: dritte aktive Zone (rot)
6006b: erste aktive Zone (blau)
6012b: zweite aktive Zone (grün)
6018b: dritte aktive Zone (gelb)
6095a: erste Laserdiode (blau)
6096a: zweite Laserdiode (grün)
6097a: dritte Laserdiode (rot)
6095b: erste Laserdiode (blau)
6096b: zweite Laserdiode (grün)
6097b: dritte Laserdiode (gelb)
10001: Laserlichtquelle
10002: Laserlichtquelle
10003: Laserlichtquelle
10004: Laserlichtquelle
10005: Laserlichtquelle
10006: Laserlichtquelle
10007: Laserlichtquelle
10008: Laserlichtquelle
10009: Laserlichtquelle
10010: Laserlichtquelle
10011: Laserlichtquelle
10012: Laserlichtquelle

Claims

Laserdiodenanordnung mit – mindestens einem Halbleitersubstrat (2; 1002; 2002; 3002; 2x, 2y), – mit mindestens zwei Laserstapeln (30, 31, 32; 1030, 1031, 1032; 2030, 2031; 3030, 3031; 30x, 31x, 32x, 30y, 31y, 32y) mit jeweils einer aktiven Zone (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 2008, 2014; 3008, 3012; 5006a, 5012a, 5018a; 5006b, 5012b, 5018b; 6006a, 6012a, 6018a; 6006b, 6012b, 6018b; 6x, 12x, 18x, 6y, 12y, 18y) und – mit mindestens einer Zwischenschicht (9, 15; 56, 58; 1009, 1015; 2005, 2011, 2017; 3005, 3010, 3014; 4009, 4015; 9x, 15x, 9y, 15y), wobei die Laserstapel (30, 31, 32; 1030, 1031, 1032; 2030, 2031; 3030, 3031; 30x, 31x, 32x, 30y, 31y, 32y) und die Zwischenschicht (9, 15; 56, 58; 1009, 1015; 2005, 2011, 2017; 3005, 3010, 3014; 4009, 4015; 9x, 15x, 9y, 15y) monolithisch auf das Halbleitersubstrat (2; 1002; 2002; 3002; 2x, 2y) aufgewachsen sind, wobei die Zwischenschicht (9, 15; 56, 58; 1009, 1015; 2005, 2011, 2017; 3005, 3010, 3014; 4009, 4015; 9x, 15x, 9y, 15y) zwischen den Laserstapeln (30, 31, 32; 1030, 1031, 1032; 2030, 2031; 3030, 3031; 30x, 31x, 32x, 30y, 31y, 32y) angeordnet ist und wobei die aktive Zone (6; 1006; 2008; 3008; 5006a; 5006b; 6006a; 6006b; 6x, 6y) des ersten Laserstapels (30; 1030; 2030; 3030; 30x, 30y) von der aktiven Zone (12, 18; 1012, 1018; 2014; 3012; 5012a, 5018a; 5012b, 5018b; 6012a, 6018a; 6012b, 6018b; 12x, 18x, 12y, 18y) des mindestens einen weiteren Laserstapels (31, 32; 1031, 1032; 2031; 3031; 31x, 32x, 31y, 32y) getrennt ansteuerbar ist.
Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die getrennte Ansteuerung der aktiven Zonen (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 2008, 2014; 3008, 3012; 5006a, 5012a, 5018a; 5006b, 5012b, 5018b; 6006a, 6012a, 6018a; 6006b, 6012b, 6018b; 6x, 12x, 18x, 6y, 12y, 18) durch getrennte n-Kontakte (60, 61, 62; 60x, 61x, 62x; 60y, 61y, 62y) vorgesehen ist.
Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 2, wobei die getrennte Ansteuerung der aktiven Zonen (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 2008, 2014; 3008, 3012; 5006a, 5012a, 5018a; 5006b, 5012b, 5018b) durch einen gemeinsamen p-Kontakt (100) vorgesehen ist.
Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die getrennte Ansteuerung der aktiven Zonen (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 2008, 2014; 3008, 3012; 6006a, 6012a, 6018a; 6006b, 6012b, 6018b; 6x, 12x, 18x, 6y, 12y, 18y) durch getrennte p-Kontakte (70, 71, 72; 70x, 71x, 72x, 70y, 71y, 72y) vorgesehen ist.
Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 4, wobei die getrennte Ansteuerung der aktiven Zonen (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 2008, 2014; 3008, 3012; 6006a, 6012a, 6018a; 6006b, 6012b, 6018b) durch einen gemeinsamen n-Kontakt (101) vorgesehen ist.
Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei jeder Laserstapel (30, 31, 32; 1030, 1031, 1032; 2030, 2031; 3030, 3031; 30x, 31x, 32x, 30y, 31y, 32y) mit der zugehörigen aktiven Zone (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 2008, 2014; 3008, 3012; 5006a, 5012a, 5018a; 5006b, 5012b, 5018b; 6006a, 6012a, 6018a; 6006b, 6012b, 6018b; 6x, 12x, 18x, 6y, 12y, 18y) mindestens eine Laserdiode (95, 96, 97; 95b, 96b, 97b; 5095a, 5096a, 5097a; 5095b, 5096b, 5097b; 6095a, 6096a, 6097a; 6095b, 6096b, 6097b) aufweist.
Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (9, 15;) eine Tunneldiode, insbesondere mit einem niedrigen ohmschen Widerstand, aufweist.
Laserdiodenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zwischenschicht (4009, 4015) einen Isolator, insbesondere eine kristalline elektrisch isolierende Schicht, aufweist.
Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 6, wobei die aktiven Zonen (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 2008, 2014; 3008, 3012; 5006a, 5012a, 5018a; 5006b, 5012b, 5018b; 6006a, 6012a, 6018a; 6006b, 6012b, 6018b; 6x, 12x, 18x, 6y, 12y, 18y) so ausgelegt sind, dass Laserdioden (95, 96, 97; 95b, 96b, 97b; 5095a, 5096a, 5097a; 5095b, 5096b, 5097b; 6095a, 6096a, 6097a; 6095b, 6096b, 6097b) aus verschiedenen Laserstapeln (30, 31, 32; 1030, 1031, 1032; 2030, 2031; 3030, 3031; 30x, 31x, 32x, 30y, 31y, 32y) elektromagnetische Strahlung in voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen emittieren.
Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Laserdiodenanordnung mindestens zwei aus den Laserstapeln (30x, 31x, 32x, 30y, 31y, 32y) gebildete Lichtquellen (10010; 10011; 10012) mit verschiedenen Halbleitersubstraten (2x, 2y) aufweist.
Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 6 oder 9, wobei der vertikale Abstand zwischen den Laserdioden (95, 96, 97; 95b, 96b, 97b; 5095a, 5096a, 5097a; 5095b, 5096b, 5097b; 6095a, 6096a, 6097a; 6095b, 6096b, 6097b) kleiner als etwa 20 μm, bevorzugt kleiner als etwa 5 μm und besonders bevorzugt kleiner als etwa 2 μm ist.
Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die dem Halbleitersubstrat (2; 1002; 2002; 3002; 2x, 2y) zugewandte Schicht, die an die aktive Zone (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 5006a, 5012a, 5018a; 5006b, 5012b, 5018b; 6006a, 6012a, 6018a; 6006b, 6012b, 6018b; 6x, 12x, 18x, 6y, 12y, 18y) angrenzt, ein n-Wellenleiter (5, 11, 17; 1005, 1011, 1117; 5x, 11x, 17x, 5y, 11y, 17y) ist und die vom Halbleitersubstrat (2; 1002; 2002; 3002; 2x, 2y) abgewandte Schicht, die an die aktive Zone (6, 12, 18; 1006, 1012, 1018; 5006a, 5012a, 5018a; 5006b, 5012b, 5018b; 6006a, 6012a, 6018a; 6006b, 6012b, 6018b; 6x, 12x, 18x, 6y, 12y, 18y) angrenzt, ein p-Wellenleiter (7, 13, 19; 1007, 1013, 1019; 7x, 13x, 19x, 7y, 13y, 19y) ist.
Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen zwei Laserstapeln (30, 31, 32) eine Stromblende (55, 57) vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer Laserdiodenanordnung mit den Schritten: – Bereitstellen mindestens eines Halbleitersubstrats (2); – epitaktisches Aufwachsen einer ersten Einzellichtquelle, aufweisend einen ersten Laserstapel (30), eine erste n-Kontaktschicht (40) und eine erste p-Kontaktschicht (50) – Aufbringen einer ersten dielektrischen Schicht (53) auf einen Teilbereich der ersten p-Kontaktschicht (50) – epitaktisches Aufwachsen einer Zwischenschicht (9) auf die erste p-Kontaktschicht (50) – epitaktisches Aufwachsen mindestens einer zweiten Einzellichtquelle, aufweisend einen zweiten Laserstapel (31, 32), eine zweite n-Kontaktschicht (41, 42) und eine zweite p-Kontaktschicht (51) – Aufbringen einer zweiten dielektrischen Schicht (55) auf einen Teilbereich der zweiten p-Kontaktschicht (51) – Entfernen der mindestens zwei dielektrischen Schichten (53, 55) mittels Ätzen oder Abheben zum Freilegen von Kontaktflächen (59a, 59b) – Aufbringen von Kontakten (70, 71, 72) auf die freigelegten Kontaktflächen (59a, 59b) und auf die am weitesten vom Substrat (2) entfernte freiliegende Kontaktschicht (52)
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei nach dem Schritt Aufwachsen einer Einzellichtquelle und vor dem Schritt Aufbringen einer dielektrischen Schicht (53, 55) auf einen Teilbereich der p-Kontaktschicht (50, 51) folgende Schritte ausgeführt werden: – Aufwachsen einer Isolationsschicht (55, 57) auf die Kontaktschicht (50, 51) – Öffnen der Isolationsschicht (55, 57) mittels Ätzen oder Abheben