DE102013114226A1

DE102013114226A1 - Halbleiterlaserdiode, Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode und Halbleiterlaserdiodenanordnung

Info

Publication number: DE102013114226A1
Application number: DE102013114226.5A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Taeger; Alexander Bachmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN105830291A; US20160315446A1; JP2018101794A; WO2015091060A1; US10193303B2; JP2017502512A; JP6495921B2; DE102013114226B4

Abstract

Es wird eine Halbleiterlaserdiode angegeben, die eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit vertikal übereinander aufgebrachten Halbleiterschichten mit einer aktiven Schicht (11), die im Betrieb Laserstrahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche abstrahlt, wobei die Strahlungsauskoppelfläche durch eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge (1) gebildet wird, und eine Wärmebarrierenschicht (2) und eine metallische Kontaktschicht (5) lateral zueinander benachbart auf einer Hauptoberfläche (12) der Halbleiterschichtenfolge (1) aufweist, wobei die Wärmebarrierenschicht (2) durch ein elektrisch isolierendes poröses Material (9) gebildet wird. Weiterhin werden ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode und Halbleiterlaserdiodenanordnung angegeben.

Description

Es werden eine Halbleiterlaserdiode, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode und eine Halbleiterlaserdiodenanordnung mit einer Halbleiterlaserdiode angegeben.
Laserdioden wie beispielsweise Hochleistungslaserdioden für eine Faserkopplung benötigen neben einer hohen optischen Ausgangsleistung und einem hohen elektrooptischen Wirkungsgrad auch schmale Abstrahlwinkel, um möglichst viel Lichtleistung in eine Glasfaser koppeln zu können. Dies wird in der physikalischen Größe Brillanz ausgedrückt. Während bei üblichen Hochleistungslaserdioden die Abstrahlung in der Ebene senkrecht zum Schichtaufbau der Laserdiode, genannt „fast axis“, aufgrund des kleinen emittierenden Bereichs ausreichend gut fokussiert werden kann, ist die Abstrahlung in Schichtebene, genannt „slow axis“, insbesondere bei Breitstreifenlaserdioden in der Regel der limitierende Faktor, wenn versucht wird, die Brillanz zu erhöhen und damit Faserlasersysteme oder fasergekoppelte Laser zur Direktanwendung kostengünstiger zu realisieren.
Eine Ursache für steigende Slow-Axis-Divergenzen bei hohen optischen Ausgangsleistungen ist die Ausbildung einer thermische Linse genannten Temperaturverteilung lateral im Resonator. Dies geschieht dadurch, dass übliche Laserdioden zur Realisierung optimaler Wärmeabfuhr derart ausgelegt sind, dass sie großflächig auf derjenigen Seite metallisiert sind, mit der sie auf eine Wärmesenke aufgelötet werden. Die Wärmeabfuhr erfolgt damit nicht nur senkrecht zu den epitaktischen Schichten, sondern aufgrund des endlichen Wärmewiderstands der Metallisierungsschichten, des Lots und der Wärmesenke auch zweidimensional. Dadurch bildet sich im aktiven Bereich des Lasers aufgrund der Verlustleistung ein Temperaturprofil aus, das im lateralen Schnitt in der Mitte des Resonators ein Maximum besitzt und nach außen abfällt. Aufgrund der Temperaturabhängig der optischen Brechzahl und des optischen Gewinns bildet sich eine optische Linse, die das umlaufende Licht im Resonator fokussiert und in der Folge die Abstrahldivergenz des Lasers erhöht.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Halbleiterlaserdiode anzugeben, bei der eine Inhomogenität in der Temperaturverteilung im Vergleich zu bekannten Laserdioden vermindert wird. Weiterhin sind es Aufgaben von bestimmten Ausführungsformen, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode und eine Halbleiterlaserdiodenanordnung mit einer Halbleiterlaserdiode anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch Gegenstände und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibungen und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Halbleiterlaserdiode eine Halbleiterschichtenfolge mit vertikal übereinander aufgebrachten Halbleiterschichten auf. Die Halbleiterschichtenfolge weist insbesondere eine aktive Schicht auf, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb Laserstrahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche abzustrahlen. Hierzu kann die aktive Schicht insbesondere einen aktiven Bereich zur Abstrahlung der Laserstrahlung aufweisen. Die Strahlungsauskoppelfläche wird durch eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge gebildet, die mit einer gegenüberliegenden Rückseitenfläche der Halbleiterschichtenfolge einen Resonator in longitudinaler Richtung bildet. Die hier beschriebene Halbleiterlaserdiode ist bevorzugt eine so genannte kantenemittierende Halbleiterlaserdiode. Die Halbleiterschichten weisen jeweils eine senkrecht zur vertikalen Aufwachsrichtung gerichtete Haupterstreckungsebene auf. Richtungen senkrecht zur vertikalen Aufwachsrichtung werden hier und im Folgenden als die laterale Richtungen bezeichnet. Insbesondere kann eine laterale Richtung entlang der Abstrahlrichtung auch als longitudinale Richtung bezeichnet werden, während eine laterale Richtung senkrecht zur Abstrahlrichtung als transversale Richtung bezeichnet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge zusätzlich zur aktiven Schicht weitere funktionelle Halbleiterschichten, beispielsweise Wellenleiterschichten, Mantelschichten, Pufferschichten und/oder Halbleiterkontaktschichten auf. Als aktive Schicht kann die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur oder eine Einfach- oder Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweisen. Die Quantentopfstruktur kann beispielweise Quantentröge, Quantendrähte oder Quantenpunkte oder Kombinationen dieser Strukturen aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise eine oder mehrere Halbleiterschichten aus einem arsenidischen, einem phosphidischen oder einem nitridischen Halbleitermaterial aufweisen. Für eine langwellige, infrarote bis rote Strahlung ist beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yAs, für rote Strahlung beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yP und für kurzwellige sichtbare, also insbesondere im Bereich von grünem bis blauem Licht und/oder für UV-Strahlung beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yN geeignet, wobei jeweils 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 gilt. Die Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge sind bevorzugt auf einem Substrat aufgewachsen. Das Substrat kann nach dem Aufwachsen ganz oder teilweise entfernt sein. Weiterhin kann auf einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Hauptoberfläche des Substrats eine weitere Kontaktschicht vorhanden sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung auf einer Seite von einer Hauptoberfläche begrenzt, die sich im Wesentlichen in laterale Richtung erstreckt. Das kann bedeuten, dass die Hauptoberfläche eben mit einer Haupterstreckungsebene ausgebildet ist, die senkrecht zur Aufwachsrichtung ist. Weiterhin kann die Hauptoberfläche auch Oberflächenstrukturen aufweisen, durch die die Hauptoberfläche eine von einer ebenen Fläche abweichende Form aufweisen kann. Beispielsweise kann die Hauptoberfläche eine oder mehrere Stegstrukturen aufweisen. Auf der der Hauptoberfläche gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise ein Substrat angeordnet sein, auf dem die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht ist.
Die Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise durch einen Halbleiterwafer gebildet werden, aus dem durch späteres Vereinzeln eine Vielzahl von Halbleiterlaserdioden herausgelöst werden können. Jede der Halbleiterlaserdioden kann einen oder mehrere aktive Bereiche aufweisen und somit als Einzelemitter oder als Mehrfachemitter, auch als Laserbarren bezeichenbar, ausgeführt sein. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge schon ein vereinzelter Teil eines Halbleiterwafers sein, der der später fertiggestellten Halbleiterlaserdiode entspricht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind auf der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge lateral zueinander benachbart eine Wärmebarrierenschicht und eine metallische Kontaktschicht aufgebracht. Das bedeutet insbesondere, dass die Wärmebarrierenschicht und die metallische Kontaktschicht in einer vertikalen Richtung über der aktiven Schicht sowie in einer lateralen Richtung nebeneinander auf der Halbleiterschichtenfolge angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Wärmebarrierenschicht durch ein elektrisch isolierendes poröses Material gebildet. Die Wärmebarrierenschicht weist also ein elektrisch isolierendes Material auf, in dem eine Vielzahl von Poren, also Hohlräumen, ausgebildet ist.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode in einem Verfahrensschritt A eine vorab beschriebene Halbleiterschichtenfolge mit vertikal übereinander aufgebrachten Halbleiterschichten mit einer aktiven Schicht bereitgestellt, die im Betrieb Laserstrahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche abstrahlt, wobei die Strahlungsauskoppelfläche durch eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge gebildet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird beim Verfahren zur Herstellung der Halbleiterlaserdiode in einem Verfahrensschritt B eine Wärmebarrierenschicht großflächig auf einer Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, wobei die Wärmebarrierenschicht durch ein elektrisch isolierendes poröses Material gebildet wird. Großflächiges Aufbringen einer Schicht auf der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge bedeutet, dass die Schicht nicht strukturiert und bereichsweise sondern bevorzugt unstrukturiert und die gesamte Hauptoberfläche bedeckend auf dieser aufgebracht wird.
Weiterhin kann das Verfahren zur Herstellung der Halbleiterlaserdiode einen Verfahrensschritt C aufweisen, bei dem ein Bereich der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge durch bereichsweises Entfernen der Wärmebarrierenschicht freigelegt wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt D kann auf dem freigelegten Bereich der Hauptoberfläche eine Kontaktschicht aufgebracht werden, so dass die Kontaktschicht und die Wärmebarrierenschicht lateral zueinander benachbart auf der Hauptoberfläche angeordnet sind.
Die vorab und im Folgenden beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen gelten gleichermaßen für die Halbleiterlaserdiode und das Verfahren zur Herstellung der Halbleiterlaserdiode.
Die Kontaktschicht und die Barrierenschicht können insbesondere direkt und unmittelbar zueinander benachbart auf der Hauptoberfläche angeordnet sein. Das bedeutet mit anderen Worten, dass Seitenflächen der Barrierenschicht und der Kontaktschicht, also Flächen, die jeweils zumindest Bereiche der Wärmebarrierenschicht und der Kontaktschicht in einer Richtung senkrecht zur vertikalen Richtung begrenzen, direkt und unmittelbar aneinander angrenzen. Insbesondere kann beim Verfahrensschritt des Freilegens eines Bereichs der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge durch bereichsweises Entfernen der Wärmebarrierenschicht eine Öffnung in der Wärmebarrierenschicht hergestellt werden, die die Form der Kontaktschicht bestimmt und in die dann das Material der Kontaktschicht eingebracht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktschicht streifenförmig auf der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet und grenzt an zumindest zwei Seitenfläche an die Wärmebarrierenschicht an. Insbesondere kann die Kontaktschicht bei einer Aufsicht auf die Halbleiterlaserdiode in vertikaler Richtung beziehungsweise bei einer geeigneten Schnittansicht durch die Halbleiterlaserdiode entlang der Haupterstreckungsebene der Schichten der Halbleiterlaserdiode als longitudinaler Streifen ausgebildet sein, der die Wärmebarrierenschicht in zwei Bereiche unterteilt, die in transversaler Richtung auf den beiden Seiten des Streifens angeordnet sind.
Insbesondere kann die streifenförmige metallische Kontaktschicht von der Strahlungsauskoppelfläche bis zu der Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegenden Rückseitenfläche der Halbleiterschichtenfolge reichen. Die Halbleiterlaserdiode kann somit insbesondere als so genannter Streifenlaser, beispielsweise als so genannter Breitstreifenlaser, ausgebildet sein. Die Form und die Breite der metallischen Kontaktschicht, die einen elektrischen Kontakt zur Halbleiterschichtenfolge und insbesondere zur aktiven Schicht von einer Seite der Halbleiterschichtenfolge her ermöglicht, bestimmt die Größe und Form eines aktiven Bereichs in der aktiven Schicht, über den im Betrieb Laserstrahlung über die Strahlungsauskoppelfläche abgestrahlt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Halbleiterlaserdiode mehr als eine metallische Kontaktschicht auf. Die Mehrzahl der metallischen Kontaktschichten kann insbesondere als longitudinale Streifen ausgebildet sein, die in transversaler Richtung nebeneinander abwechselnd mit Bereichen der Wärmebarrierenschicht angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das elektrisch isolierende poröse Material der Wärmebarrierenschicht ein Oxid und/oder Nitrid auf, das eine Vielzahl von Poren aufweist. Besonders bevorzugt kann das elektrisch isolierende poröse Material eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen oder daraus sein: SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂, ZrO₂, AlN.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum großflächigen Aufbringen der Wärmebarrierenschicht auf der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge ein Sol-Gel-Verfahren verwendet. Hierzu wird ein Precursor-Material, beispielsweise ein Precursor-Sol oder ein Precursor-Gel, großflächig auf die Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht. Das Precursor-Material kann beispielsweise durch Spin-Coating aufgebracht werden. Durch überkritisches Trocken, also Trocknen bei einem erhöhten Druck und/oder einer erhöhten Temperatur kann das Precursor-Material in ein das elektrisch isolierende poröse Material der Wärmebarrierenschicht bildendes Aerogel umgewandelt werden. Beispielsweise kann beim Sol-Gel-Verfahren ein Sol aus einem Precursor und einem Lösungsmittel angesetzt werden. Beispielsweise kann das Lösungsmittel Wasser sein. Bei einem kritischen thermischen Budget des Substrats und/oder der Halbleiterschichtenfolge ist ein Austausch des Lösungsmittels gegen flüssiges CO₂ möglich, um ein überkritisches Trocknen bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen. Soll beispielsweise ein SiO₂-Aerogel als Wärmebarrierenschicht hergestellt werden, so kann als Precursor Tetramethylorthosilicat (TMOS) verwendet werden. Durch Hydrolyse kann ein Precursor-Gel gebildet werden. Das Precursor-Gel kann beispielsweise mittels Spin-Coating auf der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge großflächig aufgebracht werden. Anschließend kann das Precursor-Gel überkritisch getrocknet werden, beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 250°C und einem Druck von größer oder gleich 50 bar und kleiner oder gleich 80 bar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform zum großflächigen Aufbringen der Wärmebarrierenschicht auf der Hauptoberfläche ein Verfahren verwendet, bei dem eine Schicht mit einer Mehrzahl von Partikeln auf der Hauptoberfläche großflächig aufgebracht wird. Die Schicht mit der Mehrzahl von Partikeln kann beispielsweise durch eine großflächig aufgebrachte Monolage der Partikel gebildet werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Schicht mit der Mehrzahl von Partikeln durch eine Mehrfachlage mit den Partikeln gebildet wird. Beispielsweise können die Partikel kugelförmig sein. Alternativ hierzu sind auch andere geometrische Formen der Partikel möglich. Beispielsweise können die Partikel durch Polystyrol-Kugeln gebildet werden. Die Schicht mit den Partikeln bildet eine so genannte Template-Schicht, die Zwischenräume zwischen den Partikeln aufweist. In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Zwischenräume zwischen den Partikeln mit einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einem oben genannten Oxid und/oder Nitrid aufgefüllt. Besonders bevorzugt kann das Auffüllen der Zwischenräume mittels eines Atomlagenabscheidungsverfahrens erfolgen. Anschließend können die Partikel im elektrisch isolierenden Material zur Bildung von Poren entfernt werden. Das Entfernen der Partikel kann beispielsweise durch ein Veraschen beispielsweise mittels eines Sauerstoffplasmas erfolgen. Die Schritte des Aufbringens der Schicht mit der Mehrzahl von Partikeln, des Auffüllens von Zwischenräumen zwischen den Partikeln mit einem elektrisch isolierenden Material und des Entfernens der Partikel zur Bildung von Poren im elektrisch isolierenden Material können auch mehrfach hintereinander durchgeführt werden, um eine gewünschte Dicke der Wärmebarrierenschicht einzustellen. Durch das Entfernen der Partikel entsteht im elektrisch isolierenden Material eine definierte Anzahl von Hohlräumen, so dass über dieses Verfahren die Wärmeleitfähigkeit der Wärmebarrierenschicht gezielt eingestellt werden kann. Alternativ zu einem Atomlagenabscheidungsverfahren können auch andere Beschichtungsverfahren wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung verwendet werden. Die Partikel können beispielsweise mittels Dip-Coating, Spin-Coating oder der dem Fachmann bekannten Langmuir-Blodgett-Methode auf der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmebarrierenschicht eine Porosität von größer oder gleich 70%, größer oder gleich 74%, größer oder gleich 80% oder sogar größer oder gleich 90% auf. Insbesondere hat sich eine Porosität von größer oder gleich 74% für den Fall als vorteilhaft erwiesen, dass die Wärmebarrierenschicht mittels der vorgenannten Partikel-basierten Methode hergestellt wird. Im Fall einer mittels Sol-Gel-Methode hergestellten Wärmebarrierenschicht, beispielsweise im Fall eines Silica-Gels, hat sich eine Porosität von größer oder gleich 90% als vorteilhaft erwiesen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmebarrierenschicht eine Wärmeleitfähigkeit von größer oder gleich 0,02 W/(m·K) auf. Weiterhin kann es ausreichend sein, wenn die Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich 0,05 W/(m·K) ist. Insbesondere kann das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit und Dicke der Wärmebarrierenschicht den gewünschten Wärmewiderstand der Wärmebarrierenschicht ergeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der Wärmebarrierenschicht eine dielektrische Deckschicht angeordnet. Die Deckschicht kann insbesondere frei von Poren sein. Insbesondere kann die Deckschicht unmittelbar und direkt auf der Wärmebarrierenschicht aufgebracht sein. Mit anderen Worten kann die Deckschicht großflächig auf der Wärmebarrierenschicht aufgebracht werden, bevor der Verfahrensschritt des Freilegens eines Bereichs der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge durch bereichsweises Entfernen der Wärmebarrierenschicht erfolgt. Wird die Wärmebarrierenschicht zur Freilegung eines Bereichs der Hauptoberfläche bereichsweise entfernt, so kann im selben Verfahrensschritt, also zusammen mit der Wärmebarrierenschicht, die Deckschicht bereichsweise entfernt werden.
Die Deckschicht kann beispielsweise mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden und dient dem Verschließen der Wärmebarrierenschicht mit einem dielektrischen Material. Die Deckschicht kann beispielsweise ein Oxid und/oder Nitrid aufweisen, beispielsweise eines oder mehrere der oben in Verbindung mit dem elektrisch isolierenden Material der Wärmebarrierenschicht genannten Materialien. Hierbei können die Deckschicht und die Wärmebarrierenschicht unterschiedliche Materialien oder auch ein gleiches Material aufweisen. Die Deckschicht kann sich von der Wärmebarrierenschicht in der fertig gestellten Halbleiterlaserdiode dadurch unterscheiden, dass die Deckschicht keine Poren aufweist, während in der Wärmebarrierenschicht Poren enthalten sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei dem Verfahrensschritt zum Freilegen eines Bereichs der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge durch bereichsweises Entfernen der Wärmebarrierenschicht und gegebenenfalls auch der Deckschicht ein lithografisches Verfahren verwendet. Hierzu kann der zu entfernende Bereich beispielsweise mit einem Fotolack definiert werden. Die Strukturierung der Wärmebarrierenschicht und gegebenenfalls der Deckschicht kann vorzugsweise mit einem trockenchemischen Verfahren erfolgen. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, ein nasschemisches Verfahren zu verwenden, sofern dieses in Bezug auf die Ätzwirkung insbesondere auf die poröse Wärmebarrierenschicht entsprechend kontrolliert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vor dem großflächigen Aufbringen der Wärmebarrierenschicht eine Ätzstoppschicht auf der Halbleiteroberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht. Die Ätzstoppschicht kann insbesondere zum Schutz der Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge, also insbesondere der zuoberst liegenden Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge, vor dem Ätzmedium, also beispielsweise einem Ätzplasma bei einem trockenchemischen Ätzverfahren, dienen. Ist eine Ätzstoppschicht auf der Hauptoberfläche vorhanden, so kann diese beim bereichsweisen Entfernen der Wärmebarrierenschicht im selben Bereich von der Hauptoberfläche entfernt werden, um so die Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge im gewünschten Bereich freizulegen. In der fertig gestellten Halbleiterlaserdiode ist die Ätzstoppschicht somit noch zwischen der Wärmebarrierenschicht und der Halbleiterschichtenfolge vorhanden. Bei einer Wärmebarrierenschicht aus SiO₂ kann die Ätzstoppschicht beispielsweise Al₂O₃ aufweisen oder daraus gebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann nach dem lithografischen Strukturieren der Wärmebarrierenschicht das Material der metallischen Kontaktschichten großflächig über der Wärmebarrierenschicht und dem freigelegten Bereich der Hauptoberfläche abgeschieden werden. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn der Fotolack, der zur Definition des freizulegenden Bereichs der Hauptoberfläche aufgebracht wurde, noch auf der Wärmebarrierenschicht und gegebenenfalls auf der Deckschicht angeordnet ist, so dass sich die Kontaktschicht durch Abhebetechnik auf einfache Weise strukturieren lässt und die Kontaktschicht in den freigelegten Bereichen auf der Hauptoberfläche vorhanden ist.
Das Aufbringen der metallischen Kontaktschicht kann beispielsweise durch physikalische Gasphasenabscheidung oder Sputtern erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die metallische Kontaktschicht eines oder mehrere Metalle, beispielsweise in Form von Metallschichten, auf. Beispielsweise kann die Kontaktschicht eine oder mehrere Schichten mit Gold und/oder Kupfer aufweisen, wodurch eine gewünschte Strom- und Wärmeleitung erreicht werden kann. Weiterhin kann die metallische Kontaktschicht eines oder mehrere Materialien ausgewählt aus Platin, Titan, Titannitrid, Tantalnitrid, Chrom, Wolfram und Wolframnitrid aufweisen. Derartige Materialien können insbesondere als Haftschichten und/oder Diffusionsbarrieren vorteilhaft sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Aufbringen der Kontaktschicht auf dieser und der Wärmebarrierenschicht eine Metallisierungsschicht aufgebracht. Insbesondere kann die Metallisierungsschicht großflächig aufgebracht werden und eine Lotmetallisierung bilden, über die die Halbleiterlaserdiode auf einer Wärmesenke montiert werden kann. Die Metallisierungsschicht kann beispielsweise auch eines oder mehrere der in Verbindung mit der metallischen Kontaktschicht genannten Materialien aufweisen.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist eine Halbleiterlaserdiodenanordnung eine vorab beschriebene Halbleiterlaserdiode auf, die gemäß dem vorab beschriebenen Verfahren hergestellt wird, wobei die Halbleiterlaserdiode so auf einer Wärmesenke montiert ist, dass die Wärmebarrierenschicht zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Wärmesenke angeordnet ist. Mit anderen Worten weist die Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge, auf die die Wärmebarrierenschicht und die Kontaktschicht aufgebracht sind, zur Wärmesenke hin. Die Wärmesenke der Halbleiterlaserdiodenanordnung kann beispielsweise durch ein geeignetes Gehäuse oder einen Kühlkörper für die Halbleiterlaserdiode gebildet werden.
Durch die hier beschriebene Wärmebarrierenschicht aus einem elektrisch isolierenden porösen Material kann eine geeignete laterale Strukturierung der Wärmeableitung aus der Halbleiterlaserdiode im Betrieb erreicht werden, um das Temperaturprofil in der Halbleiterlaserdiode zu homogenisieren und damit im Vergleich zu Halbleiterlaserdioden im Stand der Technik zu glätten. Die Wärmebarrierenschicht kann durch ihre poröse Struktur eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit bei einer gleichzeitig sehr hohen mechanischen Stabilität ermöglichen. Die hier beschriebenen Materialien für die Wärmebarrierenschicht, also die vorab genannten Oxide und Nitride, und die hier beschriebenen Herstellungsverfahren sind in vorteilhafter Weise mit der Halbleiterprozessierung kompatibel. Insbesondere kann durch die Wärmebarrierenschicht, die lateral benachbart zur elektrischen Kontaktschicht angeordnet ist, erreicht werden, dass die im Betrieb der Halbleiterlaserdiode erzeugte Wärme hauptsächlich durch die Kontaktschicht aus der Halbleiterlaserdiode abgeleitet wird. Während kommerzielle Halbleiterlaserdioden eine großflächige Metallisierung aufweisen, um einen geringen Wärmewiderstand zu realisieren und damit die Effizienz der Laserdioden zu erhöhen, wird bei der hier beschriebenen Halbleiterlaserdiode gezielt ein erhöhter Wärmewiderstand in Kauf genommen, da durch die gezielte Beeinflussung der Temperaturverteilung in der Halbleiterlaserdiode eine Steigerung der Brillanz erreicht werden kann.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1A bis 1E eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung einer Halbleiterlaserdiode gemäß einer weiteren Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung einer Halbleiterlaserdiodenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4A bis 4D schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
5A bis 5D schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den Figuren und Ausführungsbeispielen können gleiche, gleichartige und gleichwirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein. In den 1A bis 1E ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt.
Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt, wie in 1A gezeigt ist, eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit vertikal übereinander aufgebrachten Halbleiterschichten bereitgestellt. Die Halbleiterschichtenfolge 1 weist insbesondere eine aktive Schicht 11 auf, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb der fertiggestellten Halbleiterlaserdiode 100 Laserstrahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche abzustrahlen. Die fertiggestellte Halbleiterlaserdiode 100, wie sie in 1E gezeigt ist, weist eine Abstrahlrichtung senkrecht zur Zeichenebene auf, so dass die Strahlungsauskoppelfläche sowie die der Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegende Rückseitenfläche, die einen Resonator bilden, parallel zur Zeichenebene davor beziehungsweise dahinter liegen. Bei der Halbleiterschichtenfolge 1 und insbesondere bei der fertiggestellten Halbleiterlaserdiode 100 handelt es sich um eine kantenemittierende Halbleiterlaserdiode. Beispielsweise kann die Halbleiterlaserdiode eine Hochleistungslaserdiode zur Faserkopplung wie etwa ein Barrenlaser oder ein Breitstreifenlaser sein. Der prinzipielle Aufbau solcher Halbleiterlaserdioden im Hinblick auf die Halbleiterschicht ist dem Fachmann bekannt ist und wird deshalb hier nicht weiter erläutert.
Insbesondere kann das Material der Halbleiterschichtenfolge 1 ausgewählt sein aus einem Gruppe III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem, insbesondere einem Arsenid-, Phosphid- und/oder Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialsystem. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Halbleiterschichtenfolge 1 auf einem Substrat 10 aufgebracht, das beispielsweise ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge 1 sein kann. Alternativ hierzu kann das Substrat 10 auch ein Trägersubstrat sein, auf das die Halbleiterschichtenfolge 1 nach dem Aufwachsen vom Aufwachssubstrat übertragen wurde. Insbesondere ist das im hier gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellte Substrat 10 elektrisch leitend und auf der der Halbleiterschichtenfolge 1 gegenüberliegenden Seite des Substrats 10 ist eine Kontaktschicht 19 angeordnet, über die die Halbleiterschichtenfolge 1 und insbesondere die aktive Schicht 11 von der Substratseite her kontaktiert werden kann. Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann die bereitgestellte Halbleiterschichtenfolge 1 von der Unterseite, also von der Substratseite her, auch über andere im Stand der Technik bekannte Möglichkeiten elektrisch kontaktiert sein.
Auf der dem Substrat abgewandten Seite weist die Halbleiterschichtenfolge 1 eine Hauptoberfläche 12 auf, mit der die Halbleiterschichtenfolge 1 abschließt. Die Hauptoberfläche 12 kann wie im gezeigten Ausführungsbeispiel eben ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann es auch sein, dass Halbleiterschichten über der aktiven Schicht 11 oder sogar zusätzlich auch ein Teil der aktiven Schicht 11 stegförmig strukturiert sind, so dass die Hauptoberfläche 12 eine Stegstruktur aufweist.
Bei der in 1 gezeigten Halbleiterschichtenfolge 1 kann es sich insbesondere um ein Halbleitermaterial im Waferverbund handeln. Mit anderen Worten kann das Substrat 10 ein Substratwafer sein, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht ist. Durch Vereinzeln in einem späteren Verfahrensstadium lassen sich aus der Halbleiterschichtenfolge 1 einzelne Halbleiterlaserdioden heraustrennen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge 1 schon vereinzelt ist und zur Herstellung einer einzelnen Halbleiterlaserdiode bereitgestellt wird. Rein aus Gründen der Darstellbarkeit wird in den folgenden Figuren der letztere Fall gezeigt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird großflächig auf der Hauptoberfläche 12 eine Wärmebarrierenschicht 2 abgeschieden, die durch ein elektrisch isolierendes poröses Material gebildet wird. Das elektrisch isolierende poröse Material wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein so genanntes Aerogel gebildet, das ein elektrisch isolierendes Oxid und/oder Nitrid aufweist, in dem eine Vielzahl von Poren enthalten sind. Das Oxid und/oder Nitrid der Wärmebarrierenschicht 2 kann insbesondere aus einem oder mehreren ausgewählt aus SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Ta₂O₅, AlN, HfO₂, ZrO₂ sein.
Wie in 1B gezeigt ist, wird zur Herstellung der Wärmebarrierenschicht 2 in einem Sol-Gel-Verfahren ein Precursor-Material 2‘ großflächig auf der Hauptoberfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht. Großflächig bedeutet hierbei, dass bevorzugt die gesamte Hauptoberfläche 12 mit dem Precursor-Material 2‘ bedeckt wird, so dass auch gegebenenfalls Unebenheiten der Hauptoberfläche 12 wie beispielsweise schon vorhandene Stegstrukturen planarisiert werden können. Bei dem Precursor-Material 2‘ kann es sich um ein Precursor-Sol oder um ein Precursor-Gel handeln. Wird beispielsweise ein Aerogel auf Basis von SiO₂ als Wärmebarrierenschicht 2 hergestellt, so kann ein Sol aus einem geeigneten Precursor wie beispielsweise Tetramethylorthosilicat (TMOS) mit Wasser als Lösungsmittel angesetzt werden. Dieses kann direkt auf die Hauptoberfläche 12 aufgebracht werden oder es kann alternativ hierzu ein Gel durch Hydrolyse gebildet werden und danach das Precursor-Gel als Precursor-Material 2‘ auf die Hauptoberfläche 2 aufgebracht werden. Das Aufbringen des Precursor-Materials 2‘ erfolgt bevorzugt mittels Spin-Coating. Durch überkritisches Trocknen, beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 250°C und einem Druck von größer oder gleich 50 bar und kleiner oder gleich 80 bar kann ein überkritisches Trocknen des Precursor-Materials 2‘ erreicht werden, wodurch sich die Wärmebarrierenschicht 2 bildet, wie in 1C gezeigt ist, die ein elektrisch isolierendes Material 9, nämlich im gezeigten Ausführungsbeispiel SiO₂, mit einer Vielzahl von Poren 8 aufweist. Bei einer hohen thermischen Empfindlichkeit beispielsweise des Substrats 10 und/oder der Halbleiterschichtenfolge 1 kann das Lösungsmittel auch gegen flüssiges CO₂ ausgetauscht werden, um ein Trocknen bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen.
Mittels des Sol-Gel-Verfahrens ist es möglich, die Porosität der Wärmebarrierenschicht 2 in einem weiten Bereich einzustellen. Hierdurch kann entsprechend die Wärmeleitfähigkeit der Wärmebarrierenschicht 2 gezielt niedrig eingestellt werden. Alternativ zu SiO₂ kann die Wärmebarrierenschicht 2 auch ein Aerogel beispielsweise basierend auf Al₂O₃, ZrO₂ und/oder TiO₂ aufweisen. Die Porosität kann auch in diesem Fall über die Prozessparameter des Sol-Gel-Verfahrens eingestellt werden, so dass es prinzipiell möglich ist, eine definierte gewünschte Wärmeleitfähigkeit der Wärmebarrierenschicht 2 herzustellen.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann, wie ebenfalls in 1C gezeigt ist, auf der Wärmebarrierenschicht 2 bevorzugt großflächig eine Deckschicht 3 aus einem dielektrischen Material aufgebracht werden. Insbesondere kann die Deckschicht 3 mittels plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Die Deckschicht 3, die das gleiche oder ein anderes Oxid oder Nitrid wie die Wärmebarrierenschicht 2 aufweisen kann, dient zum Verschließen der Wärmebarrierenschicht 2.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Lithografieverfahren zur Definition einer Kontaktfläche zur Halbleiterschichtenfolge 1 auf der Hauptoberfläche 12, also von der Oberseite her. Hierzu wird, wie in 4 gezeigt ist, ein Fotolack 4 über der Wärmebarrierenschicht 2 geeignet strukturiert aufgebracht. Durch anschließende trockenchemische Strukturierung der Deckschicht 3 und der Wärmebarrierenschicht 2 kann ein Bereich der Hauptoberfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 1 durch bereichsweises Entfernen der Wärmebarrierenschicht 2 und der Deckschicht 3 freigelegt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein geeignetes Kontaktmaterial zur Herstellung einer metallischen Kontaktschicht 5 über der freigelegten Hauptoberfläche 12 sowie zumindest bereichsweise über dem Fotolack 4 abgeschieden. Das Abscheiden des Kontaktmaterials erfolgt beispielsweise durch physikalische Gasphasenabscheidung oder durch Sputtern.
Durch eine Abhebetechnik lässt sich das Kontaktmaterial strukturieren, so dass, wie in 1E gezeigt ist, nach dem Abheben des Fotolacks 4 eine Kontaktschicht 5 derart auf der Hauptoberfläche 12 verbleibt, dass die Wärmebarrierenschicht 2 und die metallische Kontaktschicht 5 lateral zueinander benachbart auf der Hauptoberfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 1 angeordnet sind. Insbesondere kann bei der vorab beschriebenen Streifenlaser-artigen Ausbildung der Halbleiterlaserdiode 100 die Kontaktschicht 5 streifenförmig auf der Hauptoberfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 1 ausgebildet sein und an zumindest zwei Seitenflächen an die Wärmebarrierenschicht 2 angrenzen. Die elektrische Kontaktschicht 5 kann, wie in 1E gezeigt ist, planar mit der Deckschicht 3 ausgebildet sein oder alternativ dazu auch über diese hinausragen oder versenkt angeordnet sein.
Wie vorab beschrieben ist, kann die Halbleiterschichtenfolge 1 in einem Waferverbund mit den vorab beschriebenen Schichten und insbesondere mit einer Vielzahl von Kontaktschichten 5 versehen werden, so dass in einem nun folgenden Vereinzelungsschritt einzelne Halbleiterlaserdioden 100 aus dem Verbund herausgelöst werden können.
Durch die Wärmebarrierenschicht 2, die durch ihre poröse Struktur eine gezielt eingestellte geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann der im Stand der Technik bekannte thermische Linseneffekt, der die Brillanz von bekannten Hochleistungslaserdioden begrenzt, vermieden oder zumindest verringert werden. Gleichzeitig weist die Wärmebarrierenschicht 2 eine ausreichende mechanische Stabilität auf, um ein Brechen der Halbleiterlaserdiode im Herstellungsprozess oder bei der Montage zu vermeiden. Hierbei ist es möglich, den beschriebenen Prozess, insbesondere das Sol-Gel-Verfahren, in den üblichen Chipherstellungsprozess zu integrieren, so dass es im Vergleich zum Stand der Technik möglich ist, mechanisch stabile Halbleiterlaserdioden mit einer höheren Brillanz herzustellen, was insbesondere für Faserkopplungsanwendungen von Vorteil sein kann.
In 2 ist eine Halbleiterlaserdiode 101 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, die im Vergleich zur Halbleiterlaserdiode 100 eine Metallisierungsschicht 6 aufweist, die auf der Deckschicht 3 und der Kontaktschicht 5 abgeschieden ist. Die Metallisierungsschicht 6 kann beispielsweise eine Lotmetallisierung sein, mittels derer die Halbleiterlaserdiode 101 auf einer Wärmesenke montiert werden kann.
In 3 eine entsprechende Halbleiterlaserdiodenanordnung 200 gezeigt, bei der die Halbleiterlaserdiode 101 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 auf einer Wärmesenke 20 mit der Metallisierungsschicht 6 montiert ist. Beispielsweise kann die Halbleiterlaserdiode 101 auf der Wärmesenke 20 aufgelötet sein. Die Wärmesenke 20 kann beispielsweise durch ein Gehäusebauteil oder einen Kühlkörper gebildet sein. Die Halbleiterlaserdiode 101 ist so auf der Wärmesenke 20 montiert, dass die Wärmebarrierenschicht 2 zwischen der Halbleiterschichtenfolge 1 und der Wärmesenke 20 angeordnet ist, so dass durch die Wärmebarrierenschicht 2 gezielt der Wärmetransport von der aktiven Schicht 11 in die Wärmesenke 20 und damit das Temperaturprofil in der Halbleiterschichtenfolge 1 beeinflusst werden kann.
In den 4A bis 4D sind Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode 102 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem vor der Abscheidung der Wärmebarrierenschicht 2 auf der Hauptoberfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 1 eine Schutzschicht aufgebracht wird, um die Halbleiterschichtenfolge 1 und insbesondere die die Hauptoberfläche 12 bildende Halbleiterschicht zu schützen. Diese kann üblicherweise durch eine p-dotierte Halbleiterkontaktschicht gebildet sein, die sehr empfindlich gegenüber dem Ätzplasma bei der Strukturierung der Wärmebarrierenschicht 2 sein kann.
Hierzu wird, wie in 4A gezeigt ist, auf der Hauptoberfläche 12 eine Ätzstoppschicht 7 aufgebracht, auf der dann das Precursor-Material 2‘ gemäß dem oben beschriebenen Verfahrensschritt in Verbindung mit 1B aufgebracht wird. Im Falle einer Wärmebarrierenschicht, die auf einem SiO₂-Aerogel basiert, kann die Ätzstoppschicht beispielsweise Al₂O₃ aufweisen oder daraus sein. Die in den 4B bis 4D gezeigten Verfahrensschritte entsprechen denen in Verbindung mit den 1C bis 1E beschriebenen Verfahrensschritten, nämlich dem Abscheiden der Deckschicht 3 auf der Wärmebarrierenschicht 2, dem lithografischen Definieren der Kontaktflächen durch einen Fotolack 4 und der Strukturierung der Wärmebarrierenschicht 2 und der Deckschicht 3, vorzugsweise durch ein trockenchemisches Verfahren, sowie der Abscheidung der metallischen Kontaktschicht 5.
Beim bereichsweisen Entfernen der Wärmebarrierenschicht 2 wird auch der entsprechende Bereich der Ätzstoppschicht 7 entfernt, so dass in der fertiggestellten Halbleiterlaserdiode 102 die Ätzstoppschicht 7 noch zwischen der Wärmebarrierenschicht 2 und der Halbleiterschichtenfolge 1 neben der Kontaktschicht 5 vorhanden ist.
In Verbindung mit den 5A bis 5D ist ein zum Ausführungsbeispiel der 1A bis 1E alternatives Verfahren zur Herstellung der Wärmebarrierenschicht 2 beschrieben.
Hierzu wird, wie in 5A gezeigt ist, eine Schicht mit einer Mehrzahl von Partikeln 8‘ auf der Hauptoberfläche 12 in Form einer so genannten Template-Schicht aufgebracht. Die Partikel 8‘ können beispielsweise in Form einer Monolage, wie in 5A gezeigt ist, oder in Form einer Mehrfachlage aufgebracht werden. Die Partikel 8‘ können beispielsweise kugelförmig sein und bevorzugt durch Polystyrolkugeln gebildet werden. Alternativ hierzu sind auch andere Materialien und Geometrien möglich. Die Partikel 8‘ werden beispielsweise durch Dip-Coating, Spin-Coating oder durch die Langmuir-Blodgett-Methode auf die Hauptoberfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht.
In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in 5B gezeigt ist, werden die Zwischenräume zwischen den Partikeln 8‘ mit einem geeigneten Beschichtungsverfahren wie beispielsweise einem Atomlagenabscheideverfahren mit einem dielektrischen, also einem elektrisch isolierenden Material 9 wie beispielsweise Al₂O₃, SiO₂, Ta₂O₅, ZrO₂, TiO₂ oder einem anderen vorab genannten Material gefüllt.
Anschließend ist es möglich, die Partikel 8‘, insbesondere im Fall von Polystyrolkugeln, über eine O₂-Plasmabehandlung durch Veraschung zu entfernen, so dass in der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material 9 Hohlräume in Form von Poren 8 entstehen. Durch eine Wiederholung der in den 5A bis 5C gezeigten Verfahrensschritte ist es möglich, die Dicke der Wärmebarrierenschicht 2 sowie die Anzahl der Poren 8 im elektrisch isolierenden Material 9 gezielt einzustellen, wie in 5D gezeigt ist. Anschließend können die weiteren in Verbindung mit den vorab beschriebenen Verfahren beschriebenen Schichten auf der Wärmebarrierenschicht 2 aufgebracht werden und es kann eine entsprechende Strukturierung der Wärmebarrierenschicht 2 vorgenommen werden. Das in Verbindung mit den 5A bis 5D gezeigte Verfahren zur Herstellung der Wärmebarrierenschicht 3 kann sich durch eine große Flexibilität beispielsweise in Bezug auf die Materialwahl des elektrisch isolierenden Materials auszeichnen.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten und beschriebenen Merkmale können gemäß weiteren, nicht explizit gezeigten Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert sein. Weiterhin können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele alternative oder zusätzliche Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Halbleiterlaserdiode, aufweisend eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit vertikal übereinander aufgebrachten Halbleiterschichten mit einer aktiven Schicht (11), die im Betrieb Laserstrahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche abstrahlt, wobei die Strahlungsauskoppelfläche durch eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge (1) gebildet wird, und eine Wärmebarrierenschicht (2) und eine metallische Kontaktschicht (5) lateral zueinander benachbart auf einer Hauptoberfläche (12) der Halbleiterschichtenfolge (1), wobei die Wärmebarrierenschicht (2) durch ein elektrisch isolierendes poröses Material (9) gebildet wird.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, wobei die Kontaktschicht (5) streifenförmig auf der Hauptoberfläche (12) der Halbleiterschichtenfolge (1) ausgebildet ist und an mindestens zwei Seitenflächen an die Wärmebarrierenschicht (2) angrenzt.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf einer der Halbleiterschichtenfolge (1) abgewandten Seite der Wärmebarrierenschicht (2) eine dielektrische Deckschicht (3) angeordnet ist.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 3, wobei die Deckschicht (3) frei von Poren ist.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 3 oder 4, wobei auf der Deckschicht (3) und der Kontaktschicht (5) eine Metallisierungsschicht (6) aufgebracht ist.
Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das elektrisch isolierende poröse Material (9) eines oder mehrere ausgewählt aus SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂, ZrO₂, AlN aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit den Schritten: A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (1) mit vertikal übereinander aufgebrachten Halbleiterschichten mit einer aktiven Schicht (11), die im Betrieb Laserstrahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche abstrahlt, wobei die Strahlungsauskoppelfläche durch eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge (1) gebildet wird; B) Großflächiges Aufbringen einer Wärmebarrierenschicht (2) auf einer Hauptoberfläche (12) der Halbleiterschichtenfolge (1), wobei die Wärmebarrierenschicht (2) durch ein elektrisch isolierendes poröses Material (9) gebildet wird; C) Freilegen eines Bereichs der Hauptoberfläche (12) der Halbleiterschichtenfolge (1) durch bereichsweises Entfernen der Wärmebarrierenschicht (2); D) Aufbringen einer metallischen Kontaktschicht (5) auf dem freigelegten Bereich der Hauptoberfläche (12), so dass die Kontaktschicht (5) und die Wärmebarrierenschicht (2) lateral zueinander benachbart auf der Hauptoberfläche (12) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem im Verfahrensschritt B ein Precursor-Material (2‘) in einem Sol-Gel-Verfahren abgeschieden wird und das Precursor-Material (2‘) durch überkritisches Trocknen in ein das elektrisch isolierende poröse Material (9) bildendes Aerogel umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Abscheiden des Precursor-Materials (2‘) durch Spin-Coating erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Verfahrensschritt B die folgenden Teilschritte aufweist: B1) Aufbringen einer Schicht mit einer Mehrzahl von Partikeln (8‘); B2) Auffüllen von Zwischenräumen zwischen den Partikeln (8‘) mit einem elektrisch isolierenden Material (9); B3) Entfernen der Partikel (8‘) zur Bildung von Poren (8) im elektrisch isolierenden Material (9).
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Verfahrensschritte B1 bis B3 mehrfach hintereinander durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das Auffüllen der Zwischenräume im Verfahrensschritt B2 mittels Atomlagenabscheidung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Partikel (8‘) durch Polystyrolkugeln gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Partikel (8‘) im Verfahrensschritt B3 mittels eines Sauerstoffplasmas entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem vor dem Verfahrensschritt C großflächig eine Deckschicht (3) aus einem elektrisch isolierenden Material auf der Wärmebarrierenschicht (2) aufgebracht wird und die Deckschicht (3) im Schritt C zusammen mit der Wärmebarrierenschicht (2) bereichsweise entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Deckschicht (3) mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, bei dem nach dem Verfahrensschritt D eine Metallisierungsschicht (6) auf der Kontaktschicht (5) und der Deckschicht (3) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 17, bei dem vor dem Verfahrensschritt B auf der Hauptoberfläche (12) der Halbleiterschichtenfolge (1) eine Ätzstoppschicht (7) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 18, bei dem im Verfahrensschritt C ein trockenchemisches Ätzverfahren durchgeführt wird.
Halbleiterlaserdiodenanordnung mit einer Halbleiterlaserdiode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Halbleiterlaserdiode so auf einer Wärmesenke (20) montiert ist, dass die Wärmebarrierenschicht (2) zwischen der Halbleiterschichtenfolge (1) und der Wärmesenke (20) angeordnet ist.