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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gemäß Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung einen kantenemittierenden Halbleiterlaser gemäß Patentanspruch 13.
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Halbleiterlaser finden aufgrund ihrer Kompaktheit und kostengünstigen Herstellung Anwendung in zahlreichen Applikationsbereichen, wie beispielsweise Datenübertragung, Datenspeicherung, Projektion, Materialbearbeitung, optisches Pumpen, Biosensorik und ähnliches. In den meisten Anwendungsgebieten kommt es dabei auf die Größe der Halbleiterlaser und die Herstellungskosten an. Es besteht die Anforderung nach immer flacheren Halbleiterlasern und damit nach immer kleineren Lasern für so genannte Hosentaschenanwendungen, wie beispielsweise Handys. Die Kosten derartiger Laser werden dabei vom Halbleitermaterialverbrauch, den Optikkomponenten für Strahlformung und dem Justageaufwand dominiert.
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Es ist bekannt, Laser, die auf einem GaAs-Materialsystem basieren, mittels lateraler oder vertikaler Integration gemeinsam platzsparend auf einem Substrat anzuordnen. Derartige GaAs-basierte Laser können durch epitaktische Abscheidung beider Laser nacheinander auf einem Substrat monolithisch integriert sein.
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Eine monolithische Integration zumindest zweier nitridbasierter Laser ist bisher jedoch nicht erfolgt, da der Temperatureintrag in die Schichten der Laser beim Wachsen so hoch ist, dass während des Wachstums des zweiten Lasers die erste Laserstruktur degradieren würde.
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Die Druckschrift
JP 2010-109 147 A betrifft einen Halbleiterlaser, basierend auf dem Materialsystem InAlGaN, bei dem zwei kantenemittierende Lasereinheiten auf unterschiedlichen Substratebenen aufgewachsen sind.
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Aus der Druckschrift
US 4 747 110 A ist eine kantenemittierende Laseranordnung bekannt, bei der einzelne Emitter durchgehend mit verschiedenen Schichtdicken an unterschiedlichen Substratebenen erzeugt werden.
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Eine Laseranordnung mit mehreren Stegwellenleitern zur Emission von Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen findet sich in der Druckschrift
JP 2003-101 156 A .
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Die Offenbarung eines kantenemittierenden Lasers aus dem Materialsystem AlInGaN lässt sich der Druckschrift
US 6 031 858 A entnehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren anzugeben, das eine monolithische Integration zumindest zweier nitridbasierter Laserdioden beinhaltet, womit kompakte Halbleiterlaser kostengünstig hergestellt werden können. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen nitridbasierten Halbleiterlaser mit monolithisch integrierten Laserdioden anzugeben, der sich durch eine geringe Größe auszeichnet.
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Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und des Halbleiterlasers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen eines kantenemittierenden Halbleiterlasers vorgesehen, der eine erste nitridbasierte Laserdiode und eine zweite nitridbasierte Laserdiode aufweist, und folgende Verfahrensschritte umfasst:
- - Bereitstellen eines gemeinsamen Aufwachssubstrats, und
- - epitaktisches, monolithisch integriertes Aufwachsen der ersten Laserdiode und der zweiten Laserdiode auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat, wobei die erste und die zweite Laserdiode geeignet sind, Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge zu emittieren. Die erste Laserdiode und die zweite Laserdiode werden an unterschiedlichen Kristallachsen und somit auf verschiedenen Oberflächenorientierungen des Aufwachssubstrats gewachsen, wobei das Aufwachssubstrat unterschiedlich schräge Aufwachsflächen und eine Ausnehmung aufweist, sodass die erste Laserdiode auf einer Oberseite des Aufwachssubstrats angeordnet ist und die zweite Laserdiode an einer Seitenfläche der Ausnehmung und vollständig in der Ausnehmung angeordnet ist.
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Der Halbleiterlaser ist als Kantenemitter ausgebildet. Der Halbleiterlaser weist somit mindestens eine aktive, strahlungserzeugende Emitterschicht auf, die in einer Vertikalhauptstrahlungsrichtung Strahlung emittiert.
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Der kantenemittierende Halbleiterlaser weist zumindest zwei Facetten auf, die einen Resonator bilden. Unter Facette ist hierbei eine glatte Grenzfläche zu verstehen. Glatt bedeutet hierbei, dass die Oberflächenrauheit der Facette deutlich kleiner ist als die Wellenlänge des von dem kantenemittierenden Halbleiterlaser in dessen Betrieb zu erzeugenden Lichts, bevorzugt kleiner als die Hälfte der Wellenlänge, besonders bevorzugt kleiner als ein Viertel der Wellenlänge. Die zumindest zwei Facetten bilden insbesondere Grenzflächen oder Seitenflächen des Halbleiterlasers. Vorzugsweise liegen die Facetten des Halbleiterlasers an einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterlasers. Ist der Halbleiterlaser beispielsweise von Luft oder einem anderen Material mit niedrigerem optischen Brechungsindex als der Brechungsindex des Materials des Halbleiterlasers umgeben, so kann die von dem Halbleiterlaser erzeugte Strahlung an der Grenzfläche Facette/Luft teilweise reflektiert werden. Insbesondere kann so ein optischer Resonator ausgebildet sein. Über eine der Facetten kann die von dem Halbleiterlaser erzeugte Strahlung aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt werden.
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Die erste und die zweite Laserdiode weisen jeweils eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung auf. Die aktive Schicht weist jeweils einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) zur Strahlungserzeugung auf. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (confinements) eine Quantisierung mehrerer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
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Insbesondere weisen die Laserdioden jeweils zumindest zwei Facetten an der aktiven Schicht auf, insbesondere an einer Seitenfläche der aktiven Schicht, und bilden so jeweils einen Resonator aus.
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Die erste und zweite Halbleiterlaserdiode, insbesondere die aktive Schicht, basieren auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial. Bevorzugt basieren die erste und zweite Laserdiode auf InGaN, besonders bevorzugt auf InGaAlN.
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Die erste und zweite Laserdiode sind monolithisch auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat integriert. Das bedeutet, dass der Halbleiterlaser nicht durch nachträglich auf einem Substrat aneinandergefügte einzelne Laserdioden ausgebildet wird, die jeweils auf separaten Aufwachssubstraten aufgewachsen worden sind. Insbesondere erfolgt die epitaktische Abscheidung der ersten und zweiten Laserdiode gleichzeitig oder nacheinander auf dem gemeinsamen Substrat. Dadurch kann mit Vorteil ein Halbleiterlaser umfassend zwei Laserdioden hergestellt werden, der sich durch eine geringe Größe und somit einem geringen Platzbedarf auszeichnet. Zudem verringern sich die Herstellungskosten dadurch, dass die zwei Laserdioden als ein Laserchip integriert werden. Des Weiteren reduziert sich das benötigte Halbleitermaterial aufgrund der geringeren benötigen Substratfläche.
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Die erste und zweite Laserdiode weisen vorzugsweise zwei sich gegenüberliegende Facetten auf, die jeweils eine zusammenhängende Grenzfläche ausbilden. Insbesondere verbinden sich die beiden einzelnen Facetten der beiden Laserdioden zu jeweils zusammenhängende und im Wesentlichen ebene Facetten. Die gemeinsamen Facetten können aufgrund des monolithisch integrierten Aufwachsens der Schichten der Laserdioden erzeugt werden. Dadurch kann ein gleicher oder nahezu gleicher Divergenzwinkel der ersten und zweiten Laserdiode sowie eine parallele Strahlausrichtung der ersten und zweiten Laserdiode ermöglicht werden.
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Die erste und zweite Laserdiode weist jeweils einen Halbleiterschichtenstapel auf. Die Schichten des Halbleiterschichtenstapels, die unterhalb der aktiven Schicht angeordnet sind, also dem Aufwachssubstrat zugewandt sind, weisen vorzugsweise eine n-Dotierung auf oder sind undotiert. Die Schichten der Halbleiterschichtenstapel, die oberhalb der aktiven Schicht angeordnet sind, also vom Aufwachssubstrat abgewandt sind, weisen vorzugsweise eine p-Dotierung auf oder sind undotiert.
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Die Laserdioden sind nebeneinander auf dem Aufwachssubstrat gewachsen. Insbesondere sind die Laserdioden derart lateral gewachsen, dass die Laserdioden möglichst nahe beieinander angeordnet sind.
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In einer Weiterbildung unterscheiden sich die Wellenlängen der von der ersten Laserdiode und der zweiten Laserdiode emittierten Strahlung um mehr als 1 nm, bevorzugt um mehr als 10 nm, besonders bevorzugt um mehr als 20 nm. Die Laserdioden emittieren somit bevorzugt Strahlung eines unterschiedlichen Farborts. Bevorzugt emittiert die erste Laserdiode Wellenlänge im blauen Wellenlängenbereich und die zweite Laserdiode Strahlung einer Wellenlänge im grünen Wellenlängenbereich.
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Unter dem Farbort werden insbesondere die Zahlenwerte verstanden, die die Farbe des emittierten Lichts der Laserdioden im CIE-Farbraum beschreiben.
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In einer Weiterbildung wird die zweite Laserdiode nach der ersten Laserdiode auf dem Aufwachssubstrat gewachsen. Insbesondere wird zuerst in einem vorgesehenen Bereich die erste Laserdiode auf dem Aufwachssubstrat gewachsen. Anschließend wird die fertig gewachsene erste Laserdiode abgedeckt und lateral neben der ersten Laserdiode in einem zweiten vorgesehenen Bereich die zweite Laserdiode gewachsen. Nach Fertigstellen des Aufwachsens der zweiten Laserdiode wird anschließend die Abdeckung entfernt.
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In einer Weiterbildung werden zumindest einzelne Schichten der ersten Laserdiode und der zweiten Laserdiode gemeinsam gewachsen. Die gemeinsam gewachsenen Schichten der Laserdioden sind somit gleich. Dabei kann der Temperatureintrag gering gehalten werden kann. Die nicht gemeinsam gewachsenen Schichten der Laserdioden können verschieden ausgebildet sein, um beispielsweise die Laserparameter zu optimieren, wie beispielsweise die Divergenz sowie die Strahlausrichtung. Dadurch kann eine parallele selbstjustierende Strahlausrichtung der von den Laserdioden emittierte Strahlung erzielt werden. Zudem können die Facetten der ersten und zweiten Laserdiode gemeinsam hergestellt werden.
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In einer Weiterbildung sind die unterhalb der aktiven Schicht angeordneten Schichten, bevorzugt die n-dotierten Schichten, der Laserdioden gemeinsam gewachsen. Dadurch wird der Temperatureintrag in den Laserdioden gering gehalten, da ein Wachsen der n-Schichten nach Abscheiden einer der aktiven Schichten nicht notwendig ist.
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In einer Weiterbildung werden die oberhalb der aktiven Schicht angeordneten Schichten, also die p-dotierten Schichten, gemeinsam gewachsen. Dadurch wird der Temperatureintrag in die Laserdioden gering gehalten, da ein Aufwachsen der p-dotierten Schichten nach Abscheiden der jeweils aktiven Schicht nur einmal erfolgt.
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Alternativ können nur ein Teil der oberhalb der aktiven Schicht angeordneten Schichten gemeinsam gewachsen werden. Dabei werden zuerst die Schichten, die verschieden sind, gewachsen. Anschließend werden die gemeinsam zuwachsenden Schichten über die Fläche beider Laserdioden weitergewachsen. Aufgrund der unterschiedlich gewachsenen Schichten kann das Divergenzverhalten beider Laserdioden derart eingestellt werden, dass der jeweilige Divergenzwinkel einer Laserdiode an den Divergenzwinkel der anderen Laserdiode angeglichen ist.
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In einer Weiterbildung werden Schichten der ersten und der zweiten Laserdiode gemeinsam auf dem Aufwachssubstrat gewachsen, anschließend werden die gewachsenen Schichten der zweiten Laserdiode abgedeckt. Nach Abdeckung werden die restlichen Schichten der ersten Laserdiode auf die bereits gewachsenen Schichten der ersten Laserdiode gewachsen. Anschließend wird die Abdeckung entfernt und die Schichten der ersten Laserdiode abgedeckt. Nach Abdeckung werden anschließend die restlichen Schichten der zweiten Laserdiode auf die bereits gewachsenen Schichten der zweiten Laserdiode gewachsen.
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So können lateral nebeneinander angeordnete Laserdioden ermöglicht werden, die vorteilhafterweise platzsparend angeordnet sind und ein verbesserte Abstrahlverhalten, insbesondere aufgrund der gemeinsam hergestellten Facetten, aufweisen.
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In einer Weiterbildung werden auf dem Aufwachssubstrat Schichten der ersten Laserdiode über die vorgesehene Fläche der ersten und zweiten Laserdiode aufgewachsen. Die Schichten der ersten Laserdiode werden somit doppelt breit aufgewachsen. Anschließend werden im Bereich der zweiten Laserdiode die gewachsenen Schichten zumindest teilweise abgeätzt. Beispielsweise werden die Schichten bis zur aktiven Schicht, bis zum Wellenleiter unterhalb der aktiven Schicht oder bis zum Substrat abgeätzt. Anschließend wird die erste Laserdiode abgedeckt und die Schichten der zweiten Laserdiode im vorgesehenen Bereich der zweiten Laserdiode aufgewachsen.
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So können Laserdioden erzielt werden, die platzsparend angeordnet sind, und die gemeinsame Schichten aufweisen. Weitere Schichten der Laserdioden sind unterschiedlich, wobei zumindest die aktive Schicht der beiden Laserdioden sich unterscheidet.
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In einer Weiterbildung weisen die Laserdioden jeweils einen Stegwellenleiter auf, der mittels eines Ätzprozesses hergestellt wird. Derartige Laserdioden sind dem Fachmann auch bekannt unter Ridge-Laser, die vorliegend an dieser Stelle nicht näher erörtert werden.
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Der Stegwellenleiter ist vorzugsweise in den p-leitenden Schichten der Laserdioden ausgebildet.
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In einer Weiterbildung weisen die zur Ätzung vorgesehenen Schichten der ersten und zweiten Laserdiode zumindest teilweise eine unterschiedliche Dicke auf, wobei die Ätztiefe der Laserdioden gleich eingestellt wird. Beispielsweise weisen die Laserdioden einen unterschiedlich dicken p-Wellenleiter und/oder eine unterschiedliche p-Mantelschicht auf. Beide Laserdioden können dabei dem Ätzprozess gleichzeitig unterzogen werden, mit dem Ergebnis einer gleichen Ätztiefe.
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Alternativ weisen die zur Ätzung vorgesehenen Schichten der ersten und der zweiten Laserdiode eine gleiche Dicke auf, wobei die Ätztiefe der Laserdioden durch jeweils eine Ätzstoppschicht oder unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten unterschiedlich eingestellt wird.
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Insbesondere wird die Ätzstoppschicht, die beispielsweise AlN enthält, und die zum Ätzen des Stegwellenleiters verwendet wird, im oberen Wellenleiter der beiden Laserdioden verschieden angeordnet, sodass sich die Ätztiefen unterscheiden. So können die Divergenzwinkel der Strahlungsauskoppelung der ersten und zweiten Laserdiode aneinander angepasst werden.
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In einer Weiterbildung werden die Schichten der ersten und zweiten Laserdiode gemeinsam auf dem Aufwachssubstrat gewachsen, wobei ein Temperaturgradient während des Wachstums der jeweiligen aktiven Schicht herbeigeführt wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer strukturierten Substratrückseite, wodurch eine lokal unterschiedliche Wärmeabfuhr erzeugt wird. Dadurch ermöglicht sich eine Wellenlängenverschiebung der von der im Betrieb der Laserdiode emittierten Strahlung. Alternativ kann der Defektdichtegradient des Substrats im Bereich der ersten Laserdiode und im Bereich der zweiten Laserdiode unterschiedlich sein. Aufgrund der lokalen Störungen ermöglicht sich eine Wellenlängenverschiebung. So können monolithisch integrierte Laserdioden auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat hergestellt werden, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge im Laserbetrieb emittieren, wobei der Wellenlängenunterschied in diesem Fall gering ist. Derartige geringe Wellenlängenunterschiede können beispielsweise für Applikationen im Spektroskopiebereich Verwendung finden.
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In einer Weiterbildung wird die aktive Schicht der oberen Laserdiode durch ein Quanten-Well-Intermixing gestört, insbesondere zerstört. Vorzugsweise ist die untere Laserdiode eine Laserdiode, die blaue Strahlung emittiert und die obere Laserdiode eine Laserdiode, die Strahlung grüner Wellenlänge emittiert. Alternativ kann die aktive Schicht der oberen Laserdiode durch ein Magnesiumreservoir zerstört werden.
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Die erste Laserdiode und die zweite Laserdiode werden an unterschiedlichen Kristallachsen des Aufwachssubstrats gewachsen. So werden die Laserdioden auf verschiedenen Oberflächenorientierungen gewachsen. Das Substrat weist unterschiedlich schräge Aufwachsflächen auf. Die Laserdioden sind so mit Vorteil separat elektrisch kontaktierbar. Insbesondere verbessert sich das Injektionsverhalten. Zudem verringern sich piezoelektrische Effekte.
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In einer Weiterbildung werden Facetten der ersten Laserdiode und der zweiten Laserdiode in einem gemeinsamen Prozess mit einer Verspiegelung beschichtet. Eine der beiden Facetten weist vorzugsweise eine dielektrische breitbandige Verspiegelung auf, sodass für beide Laser gleiche Reflektivität gegeben ist. Diese Facette bildet den so genannten Rückseitenspiegel. Die andere Facette weist vorzugsweise keine Verspiegelung oder lediglich eine dünne optisch inaktive Spiegelschicht auf, beispielsweise eine A/2-Schicht. Diese Facette bildet einen so genannten Vorderseitenspiegel, aus dem die in der jeweiligen aktiven Schicht emittierte Strahlung ausgekoppelt werden kann.
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Mit Vorteil können die Halbleiterlaserdioden mit unterschiedlicher Emissionswellenlänge so gemeinsam beschichtet werden.
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Alternativ können die Laserdioden gezielt verschieden beschichtet werden. Insbesondere wird der Rückseitenspiegel so ausgelegt, dass die Laserdioden im jeweiligen kritischen Laserparameter, beispielsweise dem Schwellstrom oder der Steilheit, angeglichen werden. Das bedeutet, dass zum Beispiel die Reflektivitätskurve der Verspiegelung so gewählt wird, dass beispielsweise der Laser mit höherem Schwellstrom die höhere Reflektivität aufweist. So kann beispielsweise der Schwellstrom und die Steilheit der Laserdioden aneinander angeglichen werden. Mit gezielt verschiedener Verspiegelung kann insbesondere eine Homogenisierung kritischer Laserparameter realisiert werden.
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Ein kantenemittierender Halbleiterlaser weist erfindungsgemäß eine erste nitridbasierte Laserdiode und eine zweite nitridbasierte Laserdiode auf, die monolithisch integriert auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat angeordnet sind. Der Halbleiterlaser ist mittels eines zuvor beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Lasers ergeben sich analog zu den vorteilhaften Weiterbildungen des Herstellungsverfahrens und umgekehrt.
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In einer Weiterbildung weisen die erste Laserdiode und die zweite Laserdiode jeweils einen In-Gehalt von mehr als 8 % auf, bevorzugt von mehr als 15 %, besonders bevorzugt von mehr als 20 %. Es kann also ein Halbleiterlaser mit monolithisch integrierten Laserdioden erzielt werden, der auf AlInGaN basiert und einen In-Gehalt von mehr als 8 % aufweist, bevorzugt von mehr als 15 %, besonders bevorzugt von mehr als 20 %.
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Durch die monolithische Integration der Laserdioden auf dem Aufwachssubstrat reduziert sich mit Vorteil die Substratfläche, womit sich das Laservolumen sowie die Kosten derartiger Laser mit Vorteil reduzieren.
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In einer Weiterbildung ist eine der p-leitenden Mantelschicht aus einem leitfähigen transparenten Oxid, beispielsweise einem Zinkoxid oder ITO (Indiumzinnoxid).
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Halbleiterlaser eine Mehrzahl von Laserdioden auf. Neben der ersten und zweiten Laserdiode können somit weitere Laserdioden lateral benachbart angeordnet sein. Mit Vorteil kann so eine erweiterte RGB-Lichtquelle mit weiteren Farben, wie beispielsweise Magenta, Gelb, Zyan oder Rot erzielt werden. Damit kann eine zunehmende monolithische Integration von RGB-Lichtquellen ermöglicht werden.
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In einer Weiterbildung weisen die erste und die zweite Laserdiode jeweils einen Stegwellenleiter auf, wobei die erste und die zweite Laserdiode zudem jeweils eine elektrische Anschlussschicht aufweist, die oberhalb des Stegwellenleiters angeordnet ist. Insbesondere ist die elektrische Anschlussschicht mit dem Stegwellenleiter elektrisch leitend verbunden.
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Bevorzugt sind die Stegwellenleiter der benachbarten Laserdioden nahe beieinander angeordnet. Dadurch werden die Strahlungsauskoppelbereiche nahe beieinander angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand kleiner als 100 µm. In diesem Fall ist die Anschlussschicht größtenteils außerhalb der beiden Stegwellenleiter angeordnet.
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Alternativ kann die Anschlussschicht größtenteils zwischen den beiden Stegwellenleitern angeordnet sein. In diesem Fall weisen die Stegwellenleiter einen Abstand von 100 µm oder mehr auf, womit auch der Emitterabstand der Laserdioden einen derartigen Abstand aufweist. In diesem Fall wird eine vereinfachte Überlagerungsoptik benutzt. Bevorzugt findet eine derartige elektrische Anschlusstechnik bei Flying-Spot-Abbildungen Verwendung.
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Alternativ kann eine der Anschlussschichten einer Laserdiode über die Anschlussschicht der zweiten Laserdiode elektrisch isoliert geführt werden, womit sich der Flächenbedarf reduziert und ein geringer Emitterabstand von weniger als 100 µm ermöglicht wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile, Weiterbildungen und Zweckmäßigkeiten des Herstellungsverfahrens und des Halbleiterlasers ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispielen und nicht erfindungsgemäßen Abwandlungen. Es zeigen:
- 1 und 2 jeweils eine schematische Ansicht einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung eines Halbleiterlasers,
- 3A einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers,
- 3B einen schematischen Querschnitt einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung,
- 4A bis 4C jeweils eine Aufsicht auf eine nicht erfindungsgemäße Abwandlung, und
- 5A bis 5D jeweils Flussdiagramme zum Herstellungsverfahren.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterlasers 100, der ein Aufwachssubstrat 1, eine erste Laserdiode 2 und eine zweite Laserdiode 3 aufweist. Die Laserdioden 2, 3 sind als Kantenemitter ausgebildet. Das bedeutet, dass die Laserdioden 2, 3 eine Abstrahlrichtung der von den Laserdioden emittierte Strahlung parallel zur Substratoberfläche aufweisen. Insbesondere ist eine der Seitenflächen der Laserdioden 2, 3 als Auskoppelfläche ausgebildet.
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Die Laserdioden 2, 3 weisen jeweils einen Halbleiterschichtenstapel auf. Der Halbleiterschichtenstapel weist jeweils eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung auf. Die Schichten des Halbleiterschichtenstapels, die unterhalb der aktiven Schicht angeordnet sind, die also dem Aufwachssubstrat zugewandt sind, sind n-leitend oder undotiert ausgebildet. Die Schichten, die oberhalb der aktiven Schicht, also von dem Aufwachssubstrat abgewandt angeordnet sind, sind p-leitend oder undotiert ausgebildet.
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Das Material des Halbleiterschichtenstapels basiert vorzugsweise auf AlInGaN und weist bevorzugt einen Indiumgehalt von mehr als 8 % auf, vorzugsweise von mehr als 15 %, besonders bevorzugt von mehr als 20 %. Insbesondere ist das Material der ersten und zweiten Laserdiode 2, 3 nitridbasiert.
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Nicht alle Schichten des Halbleiterschichtenstapels der ersten und zweiten Laserdiode 2, 3 müssen zwangsläufig auf dem Materialsystem AlGaInN basieren. Beispielsweise kann eine der p-leitenden Schichten einer der Laserdioden 2, 3 aus einem leitfähigen transparenten Oxid, beispielsweise einem Zinkoxid oder ITO (Indiumzinnoxid) enthalten.
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Die aktive Schicht der Laserdioden weist jeweils bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopf- oder eine Mehrfachquantentopfstruktur zur Strahlungserzeugung auf. Die erste Laserdiode 2 und die zweite Laserdiode 3 sind geeignet, Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge zu emittieren. Insbesondere unterscheiden sich die Wellenlängen der von der ersten Laserdiode 2 und der zweiten Laserdiode 3 emittierten Strahlung um mehr als 1 nm, bevorzugt um mehr als 10 nm, besonders bevorzugt um mehr als 20 nm.
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Die Laserdioden 2, 3 weisen bevorzugt zumindest zwei Facetten an der jeweiligen aktiven Schicht auf, die einen Resonator ausbilden. Die Facetten bilden Grenzflächen oder Seitenflächen der jeweiligen Laserdiode des Halbleiterlasers. Vorzugsweise liegen die zwei Facetten einer Laserdiode an einander gegenüberliegenden Seiten der Laserdiode. Über eine der Facetten kann die von der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung aus der jeweiligen Laserdiode ausgekoppelt werden. In 1 sind die Facetten parallel zur Blattebene ausgebildet.
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Die erste und die zweite Laserdiode 2, 3 sind als so genannte Ridge-Laser ausgebildet. Das bedeutet, dass die Laserdioden 2, 3 jeweils auf der von dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite einen Stegwellenleiter aufweisen. Insbesondere ist der Stegwellenleiter in der p-leitenden Halbleiterschichtenfolge der jeweiligen Laserdiode ausgebildet.
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Die Laserdioden 2, 3 sind monolithisch integriert auf dem Aufwachssubstrat aufgewachsen. Die Laserdioden sind also keine nachträglich auf dem Substrat aneinandergefügten einzelnen Laserdioden, die jeweils einzeln gefertigt wurden, sondern sind gemeinsam auf dem gemeinsamen Substrat aufgewachsen und hergestellt.
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Dadurch reduziert sich mit Vorteil der Materialbedarf, da sich unter anderem die benötigte Substratfläche reduziert. Zudem reduziert sich das Laservolumen, da eine besonders nahe Anordnung der Laserdioden zueinander ermöglicht wird.
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Die erste und zweite Laserdiode 2, 3 weisen Facetten auf, die jeweils eine zusammenhängende Grenzfläche ausbilden. Die beiden Facetten der beiden Laserdioden verbinden sich so zu jeweils zusammenhängende und im Wesentlichen ebenen Facetten. Aufgrund der gemeinsamen Facette ermöglicht sich mit Vorteil eine parallele Strahlausrichtung.
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Aufgrund des speziellen Herstellungsverfahrens, das in Figuren 5A bis 5D näher erläutert wird, ermöglicht sich insbesondere die Herstellung eines Halbleiterlasers mit monolithisch integrierten Laserdioden, deren Divergenzwinkel der Abstrahlcharakteristik angeglichen ist.
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Auf der von dem Aufwachssubstrat abgewandten Oberfläche der Laserdioden ist jeweils eine elektrische Anschlussschicht angeordnet (nicht dargestellt), die zur elektrischen Kontaktierung der Laserdioden dient. Die Ausgestaltung der elektrischen Anschlussschicht ist insbesondere in Verbindung mit Figuren 4A bis 4C näher erläutert.
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Die Facetten der ersten und zweiten Laserdiode 2, 3 können eine Verspiegelung aufweisen. Dabei kann die Verspiegelung in einem gemeinsamen Prozess auf die Facetten der ersten Laserdiode 2 und der zweiten Laserdiode 3 aufgebracht sein.
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Als Rückseitenverspiegelung kann beispielsweise eine dielektrische, breitbandige Verspiegelung Verwendung finden, wobei für beide Laserdioden die gleiche Reflektivität gegeben ist. Als Vorderseitenspiegel, aus dem die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung aus dem Laser ausgekoppelt wird, kann keine Verspieglung oder eine dünne optisch inaktive Spiegelschicht, beispielsweise eine A/2-Schicht Verwendung finden.
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Alternativ kann gezielt eine verschiedene Verspiegelung für die unterschiedlichen Laserdioden 2, 3 Verwendung finden. Beispielsweise ist der Rückseitenspiegel jeweils so ausgelegt, dass die Laserdioden im kritischen Laserparameter, wie beispielsweise Schwellstrom oder Steilheit, aneinander angeglichen werden. Beispielsweise ist die Reflektivitätskurve der Verspiegelung so gewählt, dass der Laser mit höherem Schwellstrom die höhere Reflektivität aufweist. Beim Vorderseitenspiegel wird die Reflektivitätskurve der Verspiegelung in diesem Fall so gewählt, dass der Laser mit höherem Schwellstrom die stärkere Verspiegelung aufweist, damit der Schwellstrom oder die Steilheit der Laserdioden aneinander angeglichen und optimiert werden kann, wodurch eine Homogenisierung der kritischen Parameter ermöglicht wird.
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Auf dem Aufwachssubstrat 1 können auch eine Mehrzahl von monolithisch integrierten Laserdioden angeordnet sein (nicht dargestellt). Beispielsweise sind weitere Laserdioden auf dem Aufwachssubstrat lateral neben der ersten und zweiten Laserdiode 2, 3 angeordnet, die Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, beispielsweise Strahlung im Wellenlängenbereich Magenta, Gelb, Zyan oder Rot. Dadurch ermöglicht sich eine monolithische Integration von Laserdioden, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge und unterschiedlichen Farborts emittieren.
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Die erste Laserdiode 2 emittiert beispielsweise Strahlung im blauen Wellenlängenbereich. Die zweite Laserdiode 3 emittiert beispielsweise Strahlung im grünen Wellenlängenbereich.
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Die Abwandlung der 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass die erste und zweite Laserdiode 2, 3 nicht lateral nebeneinander angeordnet sind, sondern dass die zweite Laserdiode 3 auf der ersten Laserdiode 2 angeordnet ist. Der Halbleiterlaser weist demnach eine gestapelte Laserdiodenstruktur auf, wobei in der gestapelten Laserdiodenstruktur mehrere aktive Schichten monolithisch integriert sind. Insbesondere ist die zweite Laserdiode 3 auf der von dem Aufwachssubstrat 1 abgewandten Seite der ersten Laserdiode 2 angeordnet. Die Laserdiode 3, die grüne Strahlung emittiert, ist somit auf der Laserdiode 2, die blaue Strahlung emittiert, angeordnet.
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Dadurch verringert sich mit Vorteil weiter der Flächenbedarf des Aufwachssubstrats, womit die Materialkosten reduziert werden. Zudem ermöglicht sich eine enge Abstrahlfläche der ersten und zweiten Laserdiode 2, 3.
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Die aktive Schicht der zweiten Laserdiode 3 kann durch Implantation, so genanntem Quanten-Well-Intermixing, zerstört werden. Alternativ kann die aktive Schicht der zweiten Laserdiode 3 durch MG-Reservoir zerstört werden.
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Im Übrigen stimmt 2 mit 1 überein.
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3A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers, wobei im Unterschied zu 1 das Substrat 1 eine Struktur aufweist. Insbesondere weist das Substrat 1 eine Ausnehmung 10 auf. Die Laserdioden 2, 3 werden an unterschiedlichen Kristallachsen des Substrats angeordnet. Insbesondere ist die erste Laserdiode 2 auf einer Oberseite des Substrats 1 angeordnet. Die zweite Laserdiode 3 ist in der Ausnehmung 10 angeordnet, insbesondere an einer Seitenfläche der Ausnehmung 10, sodass die erste Laserdiode 2 und die zweite Laserdiode 3 zueinander nahezu senkrecht angeordnet sind. Die Laserdioden 2, 3 sind somit auf unterschiedlichen Oberflächenorientierungen des Substrats angeordnet. Dadurch ermöglicht sich mit Vorteil eine separate elektrische Kontaktierung der einzelnen Laserdioden.
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Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 3A mit 1 überein.
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3B unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 3A dadurch, dass die Ausnehmung 10 des Substrats anders ausgeformt ist. Insbesondere stellt die Ausnehmung 10 eine zur Oberseite des Substrats schräge Befestigungsfläche bereit, sodass die erste Laserdiode 2 und die zweite Laserdiode 3 nicht senkrecht zueinander, sondern lediglich schräg zueinander angeordnet sind.
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Im Übrigen stimmt 3B mit dem Ausführungsbeispiel der 3A überein.
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In den 4A bis 4C ist jeweils eine Aufsicht auf einen Halbleiterlaser gezeigt, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist.
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In 4A sind die Stegwellenleiter 20, 30 der ersten Laserdiode 2 und der zweiten Laserdiode 3 nahe beieinander angeordnet. Insbesondere ist der Abstand der Stegwellenleiter 20, 30 zueinander kleiner als 100 µm. Dadurch können die Bereiche der Strahlungsauskopplung der ersten Laserdiode 2 und der zweiten Laserdiode 3 nahe beieinander angeordnet werden.
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In Aufsicht auf den Halbleiterlaser sind insbesondere die elektrischen Anschlussschichten 21, 31 der ersten und zweiten Laserdioden 2, 3 sichtbar. Unterhalb der elektrischen Anschlussflächen 21, 31 sind die Halbleiterschichten der Laserdioden angeordnet. Die Anschlussflächen sind größtenteils außerhalb der Bereiche der Stegwellenleiter 20, 30 angeordnet. Dadurch ermöglicht sich eine großflächige elektrische Anschlussfläche der ersten und zweiten Laserdiode 2, 3 bei gleichzeitiger nahen Anordnung der Stegwellenleiter 20, 30. Die Anschlussschichten 21, 31 dienen insbesondere zur elektrischen Kontaktierung der ersten Laserdiode 2 und der zweiten Laserdiode 3. In 4A sind die elektrischen Anschlussschichten 21, 31 rechteckförmig ausgebildet.
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Im Übrigen stimmt 4A mit 1 überein.
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4B unterscheidet sich von 4A dadurch, dass die Stegwellenleiter 20, 30 der Laserdioden 2, 3 in einem Abstand von 100 µm oder mehr angeordnet sind. Dadurch ist auch der Abstand der strahlungsemittierenden Bereiche der Laserdioden in einem derartigen Abstand angeordnet.
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Die Anschlussflächen 21, 31 sind hammerförmig ausgebildet und platzsparend angeordnet. Eine derartige Anordnung der Anschlussflächen und ein derartiger Abstand der Auskoppelbereiche findet insbesondere bei so genannten Flying-Spot-Abbildungen Anwendung.
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Im Übrigen stimmt 4B mit 4A überein.
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4C unterscheidet sich von 4A dadurch, dass eine elektrische Anschlussfläche 31 einer Laserdiode über die elektrische Anschlussfläche 21 der zweiten Laserdiode mittels einer Überbrückung 51 zu einer weiteren Anschlussfläche 41 geführt ist. Die Überbrückung ist von der elektrischen Anschlussfläche 21 der zweiten Laserdiode mittels einer elektrisch isolierenden Schicht, einer Isolatorschicht, elektrisch isoliert. Durch eine derartige elektrische Kontaktierung verringert sich mit Vorteil der Flächenbedarf zur elektrischen Kontaktierung, wobei gleichzeitig die Auskoppelbereiche beider Laserdioden in einem geringen Abstand von weniger als 100 µm zueinander angeordnet sind.
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Im Übrigen stimmt 4C mit 4A überein.
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In den 5A bis 5D sind jeweils Flussdiagramme zum Herstellungsverfahren eines Halbleiterlasers gemäß einer der 1 bis 4 dargestellt.
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In 5A finden drei Verfahrensschritte 500 bis 502 Anwendung. Im Verfahrensschritt 500 wird ein gemeinsames Aufwachssubstrat bereitgestellt. In einem vorgesehenen Anordnungsbereich der zweiten Laserdiode wird eine Abdeckung auf dem Aufwachssubstrat aufgebracht. Im Verfahrensschritt 501 werden anschließend die Halbleiterschichten der ersten Laserdiode auf dem Aufwachssubstrat aufgewachsen. Anschließend wird die Abdeckung über dem Bereich der zweiten Laserdiode entfernt, wobei gleichzeitig die Halbleiterschichten der ersten Laserdiode abgedeckt werden. Im Verfahrensschritt 502 werden anschließend die Halbleiterschichten der zweiten Laserdiode auf das Aufwachssubstrat im vorgesehenen Bereich der zweiten Laserdiode aufgewachsen.
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Alternativ finden in dem Herstellungsverfahren keine Abdeckungen Anwendung. In diesem Fall wird die zweite Laserdiode direkt auf die bereits auf dem Aufwachssubstrat aufgebrachte erste Diode aufgewachsen. In diesem Fall sind die Laserdioden also nicht lateral nebeneinander angeordnet, sondern übereinander gestapelt, wie beispielsweise in 2 dargestellt.
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Der Verfahrensschritt 501A der 5B unterscheidet sich von dem Verfahrensschritt 501 der 5A dadurch, dass über den gesamten vorgesehenen Bereich der ersten und zweiten Laserdiode gemeinsame Schichten dieser Laserdioden aufgewachsen werden. Beispielsweise werden die n-leitenden Halbleiterschichten der ersten und zweiten Laserdiode gemeinsam aufgewachsen. Anschließend wird der vorgesehene Bereich der zweiten Laserdiode abgedeckt. In Verfahrensschritt 502A werden anschließend auf dem vorgesehenen Bereich der ersten Laserdiode die aktive Schicht und die p-leitenden Schichten aufgewachsen. Anschließend an diesem Aufwachsprozess wird die Abdeckung der zweiten Laserdiode entfernt, wobei die fertig gestellte erste Laserdiode abgedeckt wird. In Schritt 503A wird anschließend die zweite Laserdiode fertig gestellt, in dem auf die bereits gewachsenen Halbleiterschichten die aktive Schicht und die p-leitenden Schichten aufgewachsen werden.
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In diesem Fall weisen die erste und zweite Laserdiode demnach zumindest ein gemeinsames n-leitendes Schichtsystem auf.
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5C unterscheidet sich von 5B dadurch, dass im Verfahrensschritt 501B die Halbleiterschichten der ersten Laserdiode über den Bereich der ersten und zweiten Laserdiode vollständig abgeschieden werden. In diesem Fall entstehen somit zwei Laserdioden mit vollkommen identischer Halbleiterschichtenfolge. Im Verfahrensschrittsschritt 502B werden im Bereich der zweiten Laserdiode anschließend Teile der abgeschiedenen Halbleiterschichten mittels eines Ätzprozesses entfernt. Die Halbleiterschichten werden bis zur aktiven Schicht, bis zu den n-leitenden Schichten oder bis zum Substrat abgeätzt. Anschließend wird die erste Laserdiode abgedeckt, wobei im Schritt 503B anschließend die zweite Laserdiode fertig aufgewachsen wird. In diesem Fall weisen die erste und zweite Laserdiode demnach zumindest ein gemeinsames n-leitendes Schichtsystem auf.
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Das Herstellungsverfahren kann auch bereits im Schritt 501b enden. In diesem Fall ist es jedoch zur Bereitstellung zweier Laserdioden unterschiedlicher Wellenlänge notwendig, eine Wellenlängenverschiebung einer Laserdiode zu erzeugen. Dies kann beispielsweise mittels der Herbeiführung eines unterschiedlichen Temperaturgradienten während des Wachstums der jeweiligen aktiven Schicht ermöglicht werden, beispielsweise durch eine strukturierte Substratrückseite oder eine angeätzte Substratrückseite. Dadurch ermöglicht sich eine lokal unterschiedliche Wärmeabfuhr, womit bereichsweise eine Wellenlängenverschiebung erzielt werden kann.
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Alternativ kann eine derartige Wellenlängenverschiebung durch einen Defektdichtegradienten erzeugt werden. In diesem Fall werden eine erste und zweite Laserdiode hergestellt, die eine identische Halbleiterschichtenfolge aufweisen, wobei eine geringe Wellenlängenverschiebung im Betrieb ermöglicht wird.
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Im Übrigen stimmt 5C mit 5A überein.
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Im Herstellungsverfahren der 5D wird im Verfahrensschritt 500 ein Aufwachssubstrat bereitgestellt. Im Verfahrensschritt 501C werden epitaktisch gemeinsame Schichten der ersten und zweiten Laserdiode auf dem Aufwachssubstrat aufgewachsen. In dem Verfahrensschritt 502C werden anschließend die Schichten der Laserdioden gewachsen, die unterschiedlich ausgebildet sind. Hierzu finden unter anderem Abdeckungen Anwendung. Die Laserdioden weisen demnach identische Schichten und Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung auf.
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Im Schritt 503C findet anschließend ein Ätzprozess zur Herstellung eines Stegwellenleiters Anwendung. Aufgrund der unterschiedlich ausgestalteten Schichten der Laserdioden kann der Ätzprozess bei beiden Laserdioden gleichzeitig erfolgen. Insbesondere kann so die Ätztiefe beider Laserdioden identisch ausgebildet sein. Alternativ kann mittels verschieden angeordneter Ätzstoppschichten oder verschiedener Ätzgeschwindigkeiten die Ätztiefe beider Laserdioden derart variiert werden, dass ein ähnliches Divergenzverhalten im Laserbetrieb der Laserdioden ermöglicht wird.
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Im Schritt 504C werden anschließend die Facetten der ersten und zweiten Laserdiode gemeinsam beschichtet.
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Im Übrigen stimmt 5D mit 5A überein.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt.
